一种电阻应变式传感器的高精度电桥电路的制作方法

本实用新型涉及过程检测领域，特别是涉及一种电阻应变式传感器的高精度电桥电路。

背景技术：

电阻应变式传感器在压力、位移、应变量和加速度等非电量测量中占有重要地位，具有结构简单、性能稳定、灵敏度高等优点，有的还适合于动态测量。然而，电阻应变式存在一个缺点，那就是其电阻值及灵敏度随温度的变化而变化。电阻应变式传感器因环境温度变化产生的电阻变化和因应变产生的电阻变化几乎有相同的数量级。压阻式传感器采用的是半导体材料，半导体材料对温度很敏感。所以使用电阻应变式和压阻式传感器在进行测量时必须考虑温度补偿，否则会有很大的误差。

另外，在使用电阻应变式和压阻式传感器进行测量时，为了使系统的输出线性化、提高系统的灵敏度和温度补偿，通常采用全桥电路。全桥电路要求四个传感器的电阻变化系数和温度系数尽量做到完全一致；要求其中两个传感器受压，另外两个传感器受拉，拉压程度和拉压方向尽量一致。这对传感器的制造工艺和安装条件有很高的要求

因此，为了减少传感器制造工艺存在的差异对系统测量结果的影响和减轻对传感器在测量系统上安装条件的要求，同时也能消除环境温度变化的影响，本实用新型，提出一种基于比率法的电阻应变式传感器的高精度电桥电路，该电路只采用了两个电阻应变式传感器，且只有一个电阻应变式传感器受到力的作用，减少了传感器的成本，减轻了对传感器安装条件的依赖和传感器制造工艺的要求；且能够达到全桥电路线性化的效果。

技术实现要素：

本实用新型所采用的技术方案是：

一种电阻应变式传感器的高精度电桥电路由单臂电桥、四个仪用放大器G1、G2、G3和G4、直流电源U_S和V_CC及限流电阻R₀、模数转化器ADC、二个模拟多路选择器C1和C2、处理器MCU组成；

单臂电桥的四个桥臂由二个阻值分别为R₂、R₄的高精度电阻和二个阻值为R₁、R₃的相同的电阻应变式传感器组成；R₁为测量压力的电阻应变式传感器，R₃为系统温度补偿的电阻应变式传感器；

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和电阻应变式传感器R₁后接到直流电源U_S负端，仪用放大器G1和仪用放大器G3的同相端接在这二个电阻的中间；供电电压U正端串接高精度电阻R₄和电阻应变式传感器R₃后接到直流电源U_S负端，仪用放大器G1和仪用放大器G2的反相端接在这二个电阻的中间；仪用放大器G2的同相端、仪用放大器G3的反相端和仪用放大器G4的反相端接电桥的供电电压U正端，仪用放大器G4的同相端接到直流电源U_S负端；

仪用放大器G1的输出端接到模拟多路选择器C1的CH1道道，仪用放大器G2的输出端接到模拟多路选择器C1的CH2道道；仪用放大器G3的输出端接到模拟多路选择器C2的CH1道道，仪用放大器G4的输出端接到模拟多路选择器C2的CH2道道；

模拟多路选择器C1的输出端OUT接到模数转化器ADC的AIN+输入端，模拟多路选择器C2的输出端OUT接到模数转化器ADC的REF IN+参考输入端，模数转化器ADC的AIN-端、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；

处理器MCU的电源端VCC接直流电源V_CC，片选信号CTL接到模拟多路选择器C1和C2的CTL端，处理器MCU的GND端接到直流电源U_S负端。

工作过程是：仪用放大器G1的输入电压U₀₁为电桥不平衡输出电压，仪用放大器G2的输入电压U₀₂为电阻R₄两端的电压差，仪用放大器G3的输入电压U₀₃为电阻R₂两端的电压差，仪用放大器G4的输入电压U₀₄为电桥两端的电压差。经过模拟多路选择器后，U₀₁和U₀₃作为一组模数转换信号，U₀₂和U₀₄作为另一组模数转换信号，处理器MCU通过控制CTL信号选择其中一组信号进行模数转换。选择U₀₁和U₀₃时模数转换的结果为N₁，选择U₀₂和U₀₄时模数转换的结果为N₂。N₁和N₂转换完成后，处理器MCU进行一次除法运算，将N₁和N₂的比率作为测量结果的输出值N。

本实用新型的有益技术效果是：N与传感器电阻变化ΔR成线性关系，能够达到全桥电路线性化的效果；N和环境温度变化引起的电阻变化ΔR_t无关，能消除温度的影响。系统中采用高准确度仪用放大器，则系统具有很高的准确度，且能够方便调节系统的灵敏度，具有很强的实用价值。

附图说明

附图1是电阻应变式传感器的高精度电桥电路。

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。

附图1中，R₁和R₃为相同的电阻应变式传感器，R₁为测量压力的电阻应变式传感器，R₃为系统温度补偿电阻应变式传感器，R₂和R₄为高准确度电阻。U₀₁为电桥不平衡输出电压，U₀₂为电阻R₄两端的电压差，U₀₃为电阻R₂两端的电压差，U₀₄为电桥两端的电压差。一般情况下，电桥中电阻应变式传感器R₁初始值为R，电阻应变变化量为ΔR,温度变化后电阻的变化量为ΔR_t；R₂＝R₃＝R₄＝R，则有：

U₀₄＝U (4)

U₀₁和U₀₂分别经过仪用放大器G1和G2放大G₁和G₂倍后作为模数转化器ADC的模拟输入，U₀₃和U₀₄分别经过仪用放大器G3和G4放大G₃和G₄倍后作为模数转化器ADC的参考电压。经过模拟多路选择器后，U₀₁和U₀₃作为一组模数转换信号，U₀₂和U₀₄作为另一组模数转换信号，处理器MCU通过控制CTL信号选择其中一组信号进行模数转换。选择U₀₁和U₀₃时模数转换的结果为N₁，选择U₀₂和U₀₄时模数转换的结果为N₂。设模数转化器ADC的分辨力为n位，可得：

N₁和N₂转换完成后，处理器MCU进行一次除法运算，将N₁和N₂的比率作为测量结果的输出值N。

由式(7)可知，N与传感器电阻变化ΔR成线性关系，说明能够达到全桥电路线性化的效果；N和环境温度变化引起的电阻变化ΔR_t无关，说明能消除温度的影响。系统中采用高准确度仪用放大器，则系统具有很高的准确度，且能够方便调节系统的灵敏度，具有很强的实用价值。此外，系统只采用了两个传感器，且只有一个传感器受到力的作用，减少了传感器的成本，减轻了对传感器安装条件的依赖和传感器制造工艺的要求。

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。