一种有源桥式电阻检测系统的制作方法

1.本发明涉及由电阻变化量表示的多种物理量检测技术领域，尤其涉及一种有源桥式电阻检测系统。


背景技术：

2.温度、力学量、磁场、湿度、光、辐射等各种物理量的变化作用在不同形态的电阻上时，可以引起电阻值的变化，通过对电阻值变化量的测量，即可较为精确地知悉相应物理量的变化情况，最典型的传统方法就是桥式电阻，如图1所示。
3.这种桥式电阻检测单元的基本原理是：四个电阻值理论上完全相同，电阻受到物理量作用时，r1、r4电阻值减小(或增大)，而r2、r3电阻值增大(或减小)，且变化量相同，从而引起vo1和vo2的变化，通过检出vo1和vo2的变化δv＝vo2-vo1，从而检测出相应物理量的变化。
4.设r2、r4、r1、r3电阻初值均相同，在物理量的作用下，电阻值分别出现相同的增加和减小量，且有：r1＝r4＝r0+δr，r2＝r3＝r0-δr，则有：vo1＝vcc
×
r3/(r1+r3)，vo2＝vcc
×
r4/(r2+r4)，δv＝vo2-vo1＝vcc
×
{[r4/(r2+r4)]-[r3/(r1+r3)]}＝vcc
×
δr/r0，其中vcc通常选用稳定度极高的精密电源。通过放大电路对δv进行放大，即可得到与物理量相对应的且呈现线性相关的电学参数，完成对电学参数的测量，从而得知物理量的变化情况。
[0005]
这种方法存在的问题是：
[0006]
1、电阻上本身有功率消耗，每个电阻上功率大小为vcc2/4r0，电阻发热，导致电阻上温度比被检测物理量所在环境的温度高，从而导致测量误差。对电阻值有一定要求，不能太小，否则电阻上功耗较大，vcc电压也不宜高。
[0007]
2、vcc的内阻会随温度变化，导致加在桥式电阻上的电压会随环境温度变化而变化，使测量值随温度变化，导致检测结果随环境温度漂移变化。
[0008]
3、线性度补偿难度大，灵敏度和精度有限，须经过多次补偿试验，才能达到较好精度要求。
[0009]
4、负载驱动能力有限，对信号放大器有一定选择性，对放大器偏置电流和失调有较高要求。


技术实现要素：

[0010]
针对现有技术的不足，本发明提出了一种有源桥式电阻检测系统，提高检测精度。
[0011]
本发明提供一种有源桥式电阻检测系统，包括桥式电阻、恒流源、恒流源偏置模块、电压跟随单元；
[0012]
所述桥式电阻包括两个桥臂，所述桥式电阻为应变电阻；
[0013]
所述恒流源与所述恒流源偏置模块串联形成一个偏置单元；
[0014]
在电阻桥臂和所述偏置单元之间分别设置有所述电压跟随单元，使电阻桥臂上桥
臂的电阻两端的电压与所述恒流源偏置模块两端的电压相同。
[0015]
进一步地，所述恒流源偏置模块为定值电阻或稳压管或精密稳压单元。
[0016]
进一步地，所述电压跟随单元包括运算放大器和三极管，所述运算放大器的同相输入端与所述恒流源的输出端连接，所述运算放大器的反相输入端与电阻桥臂中点连接，所述三极管设置在所述桥式电阻的上桥臂电阻和下桥臂电阻之间。
[0017]
进一步地，所述三极管为双极型三极管或mosfet。
[0018]
本发明的有益效果在于：
[0019]
1、可以使用电压较高的电源，工作范围宽，兼容性好。
[0020]
2、灵敏度较高，是传统纯电阻桥的4倍。
[0021]
3、桥电阻可以选用阻值合适的电阻，减小了电阻桥制作工艺的限制，桥电阻取值范围较宽。
[0022]
4、桥臂中的电阻可以是温敏型、磁敏型、力敏型、湿敏型、光敏型，气敏型，应用范围宽，检测方法简约。
[0023]
5、桥电阻工作在低功耗状态下，与vcc无关，只与恒流偏置单元和恒流源有关，调节恒流偏置单元工作电压，即可调整桥臂中工作电流，电阻上功耗只与工作电流有关，且功耗调节方便，基本不影响检测精度。
[0024]
6、零位调节方便，有多种零位调节方式，输出线性度较好，通过对运算放大器输出零位调整，即可实现整个桥的零位调整。
附图说明
[0025]
图1为传统经典桥式电阻结构图。
[0026]
图2为实施例1的有源桥式电阻检测系统的结构示意图。
[0027]
图3为由j-fet和三极管组成的恒流源。
[0028]
图4为由j-fet和运放组成的可调恒流源。
[0029]
图5为实施例2的有源桥式电阻检测系统的结构示意图。
[0030]
图6为实施例3的有源桥式电阻检测系统的半桥应用结构示意图。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0032]
实施例1
[0033]
图2为本发明提供的一种有源桥式电阻检测系统的结构示意图，如图2所示，本发明提供了一种有源桥式电阻检测系统，包括：
[0034]
桥式电阻r1、r3、r2、r4，r1与r3串联形成一个桥臂，r2与r4串联形成另一个桥臂，r1、r3、r2、r4为应变电阻，可根据实际情况选择相应形态的应变电阻，以反映温度、力学量、磁场、湿度、光、辐射等各种物理量的变化。
[0035]
恒流源，恒流源的构建方法较多，可以据测试精度需求自行设计，图3和图4给出两个用于本检测系统的恒流源设计示例。
[0036]
图3为由j-fet和三极管组成的恒流源，由工作在恒流状态的jfet器件提供基本恒
流电流，q5和q4构成差分恒流源对，q5中的电流与q4中电流基本相等。
[0037]
图4为由j-fet和运放组成的可调恒流源，稳压管d1保持可调电阻rx两端电压为vz，设可调电阻rx从中心抽头处分别由rx1和rx2组成，即：rx1+rx2＝rx，则q4中电流i＝vz[rx1/(rx1+rx2)]/r2，相应地，按恒流差分对原理，q5中的电流与q4中电流相等，当rx1从最大值变到最小值时，恒流电流从最大变到零。
[0038]
恒流源偏置模块，如图2所示，恒流源偏置模块为一个定值电阻rs，恒流源与恒流源偏置模块串联形成一个偏置单元。
[0039]
电压跟随单元，如图2所示，在电阻桥臂和偏置单元之间分别设置有电压跟随单元，使电阻桥臂上桥臂的电阻两端的电压与恒流源偏置模块两端的电压相同。
[0040]
电压跟随单元包括运算放大器和三极管，所述运算放大器的同相输入端与所述恒流源的输出端连接，所述运算放大器的反相输入端与电阻桥臂中点连接，所述三极管设置在所述桥式电阻的上桥臂电阻和下桥臂电阻之间，对桥臂上下电阻进行隔离，所述三极管为双极型三极管或mosfet。本发明选用的三极管为p-mosfet对管，设置在两个桥式电阻的桥臂中，特性基本相同。本发明选用的运算放大器为高输入阻抗型，超低失调，开环增益足够高，闭环增益为1，失调电流和失调电压对测量精度的影响可以忽略，以满足高精度检测要求，降低对桥式电阻取值范围的要求。
[0041]
本发明的检测原理为，r1、r3、r2、r4电阻初值均相同，在物理量的作用下，电阻值分别出现相同的增加和减小量，且有：r1＝r4＝r0+δr，r2＝r3＝r0-δr，则有：
[0042][0043][0044][0045]
由于δr远小于r0，则有：
[0046][0047]
其中，i0为恒流源提供的恒定电流，r0为四个应变电阻的初始值，δr为相应变化量。
[0048]
可以看出，检出电压δv与4倍的δr成正比，灵敏度为原有技术的4倍。
[0049]
实施例2
[0050]
如图5所示，恒流源偏置模块为一个稳压管，工作在反向击穿状态，两端电压基本保持为vz，则有：
[0051][0052]
其中，vz为稳压管两端的电压，r0为四个应变电阻的初始值，δr为相应变化量。
[0053]
进一步地，可以用稳定性更好的精密稳压单元替代稳压管，使测量精度更高，对差
模电压δv的处理，则可以使用仪表放大器进行放大。信号放大器失调引起的零位偏差很容易得到较好的调整，零位调整的方法较多，该技术为本领域技术人员所公知，故在此不再赘述。
[0054]
实施例3
[0055]
图6为本发明提供的有源桥式电阻检测系统的半桥应用结构示意图，选取r1和r3为定值电阻，r1和r3串联形成左桥臂，选取rs为敏感电阻，rs与负载rl串联形成右桥臂，在左桥臂和右桥臂之间设置有电压跟随单元，使电阻r1两端的电压与rs两端的电压相同。电压跟随单元的组成在实施例1中已作描述，故在此不再赘述。
[0056]
本发明的检测原理为，将rs作为传感单元，当rs足够小时，可以用于检测通过负载rl的电流i
l
，公式为：
[0057][0058]
如果固定i
l
，则等效为恒流工作状态，当rs有变化时，对应相应物理量的变化，通过测量电阻桥臂中点电压v
01
可以检测物理量的变化，实现对物理量的测量，公式为：
[0059]