[科普中國(guó)]-自平衡電橋

自平衡電橋，或稱半自動(dòng)電橋。其原理是：利用電流變量器和運(yùn)算放大器把不平衡信號(hào)放大后，仍舊反饋到電橋電路中去補(bǔ)償其差值，從而使電橋自動(dòng)地維持平衡。這類電橋器可以做到很高的測(cè)量精確度和很寬的量程。但是仍舊要用人工來(lái)幫助調(diào)節(jié)平衡，所以測(cè)量速度不能很快。1

自平衡電橋原理自平衡電橋電橋的關(guān)鍵部分是平衡模塊。由于電橋本身并存在不 平衡，即使在傳感器輸入為零的情況下，電橋的輸出也不會(huì)為零，而是一個(gè)固定的信號(hào)，這個(gè)固定的不平衡信號(hào)大約為幾毫伏至幾十毫伏，有時(shí)甚至比傳感器信號(hào)要大得多。在水分檢測(cè)過(guò)程中，這個(gè)固定信號(hào)會(huì)使放大器較早地達(dá)到飽和，從而影響電容傳感器信號(hào)的放大。為了進(jìn)一步放大傳感器信號(hào)，必須抑制掉這一不平衡信號(hào)。

平衡模塊設(shè)計(jì)是水分檢測(cè)系統(tǒng)提高檢測(cè)微小信號(hào)能力的關(guān)鍵。平衡的調(diào) 節(jié)方式可以是手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以是自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外，借助自動(dòng)平衡模塊還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍的移動(dòng)，即在敏感電容值附近實(shí)現(xiàn)相對(duì)測(cè)量，從而極大地提高檢測(cè)精度。因此，自動(dòng)平衡模塊的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)在 線高精度檢測(cè)的關(guān)鍵 。自動(dòng)平衡電路原理如下圖所示。

電橋檔位選擇后（或者設(shè)定相對(duì)檢測(cè)電容后），空載傳感器的信號(hào)進(jìn)入自動(dòng)平衡模塊，并被分解為水平相位信號(hào)和垂直相位信號(hào)。水平相位信號(hào)和垂直相位信號(hào)分別通過(guò)零比較器控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向。當(dāng)比較器輸出為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器減計(jì)數(shù)；當(dāng)比較器輸出為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器增計(jì)數(shù)。水平相位信號(hào)有正負(fù)之分，如果水平相位信號(hào)為正，當(dāng)平衡按鍵按下時(shí)，計(jì)數(shù)器開始減計(jì)數(shù)，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出逐漸減小，這樣水平相位信號(hào)也就逐漸減小，直到減小為零。2

如果水平相位信號(hào)為負(fù)，當(dāng)平衡按鍵按下時(shí)，計(jì)數(shù)器開始增計(jì)數(shù)，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出逐漸增大，這樣水平相位信號(hào)也就逐 漸增大，直到增大到零。垂直相位信號(hào)的調(diào)整也同理。調(diào)整的最終結(jié)果是使得水平相位信號(hào)和垂直相位信號(hào)逐漸向零點(diǎn)靠近，從而完成自動(dòng)平衡過(guò)程，使空載傳感器的輸出為零。

自平衡電橋的應(yīng)用水分廣泛存在于自然界的物質(zhì)中，含水量的多少是物質(zhì)的重要特性之一。礦物、木材、茶葉、糧食、火藥、藥品、食品等加工生產(chǎn)和保存過(guò)程中，都要求水分含量保持在一定范圍內(nèi)。水分含量的高低直接影響著這些物質(zhì)質(zhì)量的好 壞。對(duì)于化學(xué)類產(chǎn)品，水分含量更是它的重要技術(shù)指標(biāo)之一。 化學(xué)物的含水量如果超標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致化學(xué)物的化學(xué)性能下降，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致爆炸或者造成爆炸物不能至爆，因此水分含量將直接影響化學(xué)物的功能甚至可能造成失效。而自平衡電橋就是影響水分含量的重要組成部分。2

水分檢測(cè)有許多種方法，可歸結(jié)為兩大類：直接法和間接法。直接法是通過(guò)干燥或化學(xué)反應(yīng)后直接測(cè)出絕對(duì)含 水量。間接法是通過(guò)測(cè)量與水分相關(guān)的物理量（如電導(dǎo)率、介電常數(shù)等）的變化來(lái)測(cè)出物料的水分含量，主要有電測(cè)法， 射線法和中子法。電橋是電容式水分檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，它是水分檢測(cè)系統(tǒng)能否達(dá)到高精度測(cè)量的關(guān)鍵。

自動(dòng)平衡電橋自動(dòng)平衡電橋，利用電子邏輯電路來(lái)代替人工控制電橋中的各項(xiàng)數(shù)值開關(guān)，使電橋達(dá)到平衡。它能自選量程，自動(dòng)轉(zhuǎn)換小數(shù)點(diǎn)和單位符號(hào)；測(cè)量結(jié)果用數(shù)字顯示或同時(shí)提供打印數(shù)據(jù)輸出，以供記錄保存。根據(jù)測(cè)量需要可以選用不同的測(cè)量頻率，可以進(jìn)行連續(xù)跟蹤測(cè)量或定時(shí)間隔測(cè)量等。因此，這種儀器不僅可以用來(lái)快速測(cè)量元件，而且可以配合適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱推渌郊釉O(shè)備進(jìn)行各種非電量測(cè)量及科學(xué)分析，或與電子計(jì)算機(jī)配合進(jìn)行自動(dòng)控制等。

這種儀器的測(cè)量頻率可以從工頻到幾兆赫。測(cè)量電容的范圍可以從千分之幾微微法到一個(gè)法拉。其測(cè)量速度與邏輯原理有關(guān)，一般是從十毫秒到三秒左右。其測(cè)量誤差可以小于0.1%。其缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜、制造和維護(hù)都比較困難。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學(xué)