交流电桥是电感式传感器的主要测量电路,它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度,改善线性,所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂,电桥的平衡臂可以是纯电阻,也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图4.1.6是交流电桥的几种常用形式。 1、电阻平衡臂电桥 电阻平衡臂电桥如图4.1.6a所示。Z1、Z2为传感器阻抗。高;L1=L2=L;则有Z1=Z2=Z=R′+jwL,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式,则在工作时,Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z,当ZL→∞时,电桥的输出电压为 (4-1-6)当ωL>>R’时,上式可近似为: (4-1-7)由上式可以看出:交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。 图4.1.6 交流电桥的几种形式 2、变压器式电桥 变压器式电桥如图4.1.6b所示,它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组,当负载阻抗无穷大时输出电压为: (4-1-8)由于是双臂工作形式当衔铁下移时,Z1=Z-△Z,Z2=Z+△Z,则有: (4-1-9)同理,当衔铁上移时,则有: (4-1-10)由式(4-1-9)和式(4-1-10)可见,输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化,由于是交流信号,还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。 图4.1.7是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交流电桥相邻的两个工作臂,指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。 图4.1.7 带相敏整流的交流电桥 设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时,Z1=Z2=Z,电桥处于平衡状态,C点电位等于D点地位,电表指示为零。 当衔铁上移,上部线圈阻抗增大,Z1=Z+△Z,则下部线圈阻抗减少,Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周,则A点电位为正,B点电位为负,二极管V1、V4导通,V2、V3截止。在A-E-C-B支路中,C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低;而在A-F-D-B支中中,D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高,所以D点电位高于C点电位,直流电压表正向偏转。 如果输入交流电压为负半周,A点电位为负,B点电位为正,二极管V2、V3导通,V1、V4截止,则在A-F-C-B支中中,C点电位由于Z2减少而比平衡时降低(平衡时,输入电压若为负半周,即B点电位为正,A点电位为负,C点相对于B点为负电位,Z2减少时,C点电位更负);而在A-E-D-B支路中,D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高,所以仍然是D点电位高于C点电位,电压表正向偏转。 同样可以得出结果:当衔铁下移时,电压表总是反向偏转,输出为负。 可见采用带相敏整流的交流电桥,输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。 3、紧耦合电感臂电桥 该电桥如图4.1.6c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂,而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响,使电桥平衡稳定,另外简化了接地和屏蔽的问题。
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