一种基于比率法的高精度单臂电桥电路的制作方法

本实用新型涉及过程检测领域，特别是涉及一种高精度单臂电桥电路。

背景技术：

电阻式传感器在温度、压力、流量等热工参数测量以及气体分析仪器等各行各业都有广泛应用。其工作原理是，将被测量转换成传感器电阻值的变化，通过测量传感器电阻值的变化来间接测量被测量。电阻式传感器大致可以分为电阻应变式、压阻式和热阻式三类。为了进行准确测量，需要信号调理电路将电阻的变化转换为电压或电流的变化，然后通过模数转换器进行数字化，以用于后续显示或处理。

由于电阻式传感器电阻信号变化很微弱，通常采用恒流源测电阻法和电桥法。恒流源测电阻法比较直观，但要实现准确测量必须要求高准确度恒流源。考虑大电流会使电阻产生热效应从而影响测量准确度，必须采用小电流恒流源。目前，电阻式传感器的测量普遍采用电桥法，电桥法可以分为单臂电桥和差动电桥，最常用的是单臂电桥电路。但是单臂电桥存在以下问题：电阻的变化与电桥的不平衡输出为非线性关系；电桥的不平衡输出受电源电压波动影响；电桥整体电阻的变化也会对电桥不平衡输出产生影响。所以，单臂电桥电路不能满足电阻式传感器测量的高准确度。差动电桥能够很好地解决输入输出的非线性，但也存在以下问题：需要使用多个电阻式传感器，提高系统成本，降低电阻式传感器使用率；不能解决测量或温度变化时导致电桥两端电压变化对系统测量结果的影响；要求构成差动的电阻式传感器性能具有很好的一致性；安装电阻式传感器时必须保证严格的对称性；有些电阻式传感器不能采用差动电桥，如热阻式传感器。

本实用新型，在单臂电桥电路的基础上提出一种基于比率法的高精度单臂电桥电路，该电路克服了单臂电桥原理上非线性和电桥电压的影响，能够满足电阻式传感器测量的高准确度要求。

技术实现要素：

本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于比率法的高精度单臂电桥电路由单臂电桥、二个仪用放大器G1和G2、直流电源U_S和V_CC及限流电阻R₀、模数转化器ADC组成。

单臂电桥的四个桥臂由三个阻值分别为R₂、R₃、R₄的高精度电阻和一个阻值为R₁的电阻式传感器组成；

电桥供电直流电源U_S经过限流电阻R₀分压以后为电桥的供电电压U；电桥的供电电压U正端串接电阻高精度R₂和电阻式传感器R₁后接到直流电源U_S负端，仪用放大器G1的同相端和仪用放大器G2的反相端接在这二个电阻的中间；供电电压U正端串接电阻高精度R₃和R₄后接到直流电源U_S负端，仪用放大器G1的反相端接在这二个电阻的中间；仪用放大器G2的同相端接电桥的供电电压U正端；

模数转化器ADC的分辨力为n位，仪用放大器G1的输出端接到模数转化器ADC的AIN输入端，仪用放大器G2的输出端接到模数转化器ADC的REF IN+参考输入端，模数转化器ADC的REF IN-端和GND端接到直流电源U_S负端，模数转化器ADC的电源端VCC接直流电源V_CC。

工作过程是：电桥的不平衡输出U₀₁和电桥同一侧另一臂的电压U₀₂经过放大以后接入模数转化器ADC中，放大的U₀₁作为模数转化器ADC的模拟输入电压，放大的U₀₂作为模数转化器ADC的参考电压，则经过模数转换的数字量N的值与电阻的变化量ΔR是线性关系，与直流电源U_S和模数转化器ADC的参考电压没有关系。

本实用新型的有益技术效果是：若采用高准确度的桥臂电阻和高准确度的仪用放大器，则系统具有很高的准确度。

附图说明

附图1是基于比率法的高精度单臂电桥电路。

附图2是传统的单臂电桥电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型装置的具体实施方式做进一步说明。

与传统的单臂电桥相比，基于比率法的高精度单臂电桥电路的不同之处在于，将电桥同侧另一臂的电压值作为模数转换器的参考电压，这样就实现了电桥的不平衡输出和同侧另一臂的电压之间的比率关系。

附图2传统的单臂电桥电路中R₁为电阻式传感器，R₂、R₃、R₄为高精度电阻，电桥供电直流电源U_S，经过限流电阻R₀分压以后电桥的供电电压为U，电桥的不平衡输出U0经过仪用放大器放大以后，作为模数转化器ADC的模拟输入。可得U₀的值：

设模数转化器ADC的分辨力为n位，经过ADC模数转换以后可得到模数转换后数字量N的值：

一般情况下，电桥中电阻传感器R₁初始值为R，变化量为ΔR；R₂＝R₃＝R₄＝R，则有：

由式(1)、式(2)和式(3)可知，最终经过ADC转换后的输出数字量N的值存在以下问题：

1)N与电阻变化量ΔR不成严格的线性关系，原理上具有非线性误差；

2)N受模数转化器ADC参考电压的影响，参考电压的误差也会引入测量结果中；

3)电源电压的波动或误差导致电桥两端电压的变化，从而影响测量结果；

4)测量或温度变化引起的电桥整体电阻的变化会导致电桥两端电压的变化，从而影响测量结果。

附图1所示基于比率法的单臂电桥电路总体上和传统的单臂电桥电路一致，有变化的是模数转化器ADC的参考电压。电桥的不平衡输出U₀₁和电桥同一侧另一臂的电压U₀₂可表示为：

二者经过放大以后接入模数转化器ADC中，放大的U₀₁作为模数转化器ADC的模拟输入电压，放大的U₀₂作为模数转化器ADC的参考电压，则经过模数转换的数字量N的值为：

将式(4)和式(5)代入，可得：

一般情况下，电桥中电阻传感器R₁初始值为R，变化量为ΔR；R₂＝R₃＝R₄＝R，则有：

由式(8)所示，经过模数转化器ADC后输出数字量N的值与电阻的变化量ΔR是线性关系，与直流电源U_S和模数转化器ADC的参考电压没有关系。若采用高准确度的桥臂电阻和高准确度的仪用放大器，则系统具有很高的准确度。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。