一种测量五线制差动电阻式传感器的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器的测试领域，尤其是一种测量五线制差动电阻式传感器的装置 和方法。
【背景技术】
[0002] 在安全监测技术领域中，通常采用五线制差动电阻式传感器来监测工程的应力应 变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断工程的健康安全状况。
[0003] 五线制差动电阻式传感器是由两根相同材质（其电阻率为P)、相同截面积（为 s)的钢丝配对组成，两根钢丝初始长度（为1)相等。两根钢丝的初始电阻为R = 在感知外界作用力F的时候，其中一根钢丝会产生Λ1的拉伸变形，而另一根钢丝则会 产生Λ 1的压缩变形，在弹性范围内F = 其中k为已知恒常数。两根钢丝的电阻 值分别％ ^ #:??錢8 ""多1通过公式变换可得到F是1/? (称作电阻比）的函数： pS兹：※通过测量Ri/R2就能实现对F的测量。若设AR = RfR2，则？是$的单 一函数，通过测量f也同样能实现对F的测量，五线制差动电阻式传感器等效电路如图2所 示，包括第一芯线51、第二芯线52、第三芯线53、第四芯线54、第五芯线55、电阻&和电阻 R2〇
[0004] 现有技术中对五线制差动电阻式传感器测量的等效原理图如图3和图4所示，其 测量方法主要是采用恒流源I激励传感器和Rraf，其中Rraf为低温漂高精度电阻，恒流源I 在流经的电阻Ri、R2和Rraf上分别产生压降l、V2和V" f。在测量电阻比时如图3,用模数转 换器内部的基准源作为基准分别测量I和V2，得到量化转换结果分别为&和N 2，可得电阻 比IVR2 = V/% = N1；/N2。在测量电阻和时如图4,将Vraf作为基准分别测量Vi和V 2，得到 量化转换结果N3和N4，可得电阻和1^+? = (N3+N4) *Rraf。图3、图4所示的测量方法电阻比 和电阻和的测量精度理论上只与模数转换器的精度和R" f的精度有关，若模数转换器只有 一个模拟输入通道，则需要通过电子开关或继电器将I和V2分别切入模拟通道进行测量， 如图3所示。若模数转换有2个模拟通道，则将I和V 2分别接入2个模拟通道进行测量， 如图4所示，模数转换器在测量时还是通过内部的模拟开关切换输入进行测量。用图3和 图4所示的方法在测量电阻比和电阻和时都需要模数转换器进行两次转换，若在两次转换 之间的切换输入过程中带入噪声或在模数转换器两次转换过程中激励源或基准源有微小 的波动，会使得两次转换的结果不是基于同一基准源，从而影响测量的精度和稳定性，但安 全监测自动化实施的现场条件往往是非常恶劣的，外部干扰多、供电质量差、温度变化大等 都会影响到激励源和基准源的准确性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单、测量精度高的测 量五线制差动电阻式传感器的装置和方法。
[0006] 实现本发明目的的技术方案是：一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，包括 模数转换器、恒压源、基准电阻和模拟开关，模数转换器分别连接恒压源和模拟开关，恒压 源连接五线制差动电阻式传感器，模拟开关分别连接五线制差动电阻式传感器和基准电 阻。
[0007] 作为本发明的优化方案，模数转换器有效精度至少16位。
[0008] 作为本发明的优化方案，模数转换器的模拟输入通道输入电压范围大于等于2倍 模数转换器的基准电压。
[0009] 作为本发明的优化方案，模数转换器至少包含两组模拟输入通道。
[0010] 作为本发明的优化方案，恒压源为高精度恒压源。
[0011] 作为本发明的优化方案，基准电阻的精度彡±0. 005%。
[0012] 作为本发明的优化方案，模拟开关为低导通电阻的模拟开关。
[0013] -种测量五线制差动电阻式传感器的电路，其中模数转换器的模拟输入通道为引 脚AIN1P、引脚AIN2P、引脚AIN1N、引脚AIN2N，模数转换器的基准电压输入端为引脚VREFP 和引脚VREFN，模拟开关包括模拟开关Si、模拟开关S2和模拟开关S3 ;恒压源的输出端与五 线制差动电阻式传感器的第一芯线连接；五线制差动电阻式传感器的第二芯线与模数转换 器的引脚AIN1P和引脚AIN2P相连；五线制差动电阻式传感器的第三芯线与模数转换器的 引脚AIN1N和模拟开关Si的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第四芯线与模数转 换器的引脚AIN2N和模拟开关Si的第二引脚相连，模拟开关Si的第二引脚和模拟开关& 的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第五芯线与模拟开关S 3的公共端连接，模拟 开关S3的源端第一引脚接地，模拟开关S3的源端第二引脚与基准电阻的一端相连，基准电 阻的另一端接地；模拟开关S 2的第二引脚接地；模拟开关Si的公共端与模数转换器的引脚 VREFP相连，模拟开关S2的公共端与模数转换器的引脚VREFN相连接。
[0014] 一种测量五线制差动电阻式传感器的方法，包括：
[0015] a、恒压源激励五线制差动电阻式传感器，将五线制差动电阻式传感器中一个电阻 两端的电压作为模数转换器的基准电压，测量五线制差动电阻式传感器中另一个电阻两端 的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻比；
[0016] b、基准电阻两端的电压作为模数转换器的基准电压，通过模拟开关的切换测量五 线制差动电阻式传感器两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻和。
[0017] 本发明具有积极的效果：消除了现有测量方法中因两次测量而引起的误差，使得 电阻比的测量精度只与模数转换器的精度有关，电阻和的精度只与模数转换器和基准电阻 的精度有关。在使用精度1?的t旲数转换器后可以获取更1?的测量精度，从而提1? 了使用五 线制差动电阻式传感器进行测量的准确性和可靠性。
【附图说明】
[0018] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对 本发明作进一步详细的说明，其中：
[0019] 图1为本发明一种测量五线制差动电阻式传感器的装置的原理图；
[0020] 图2为五线制差动电阻式传感器等效电路图；
[0021] 图3为现有技术中对五线制差动电阻式传感器电阻比测量的原理图；
[0022] 图4为现有技术中对五线制差动电阻式传感器电阻和测量的原理图；
[0023] 图5为本发明测量五线制差动电阻式传感器电阻比的等效电路图；
[0024] 图6为本发明测量五线制差动电阻式传感器电阻和的等效电路图；
[0025] 图7为本发明测量五线制差动电阻式传感器的实施例电路图。
[0026] 其中：1、模数转换器，2、恒压源，3、基准电阻，4、模拟开关，51、第一芯线，52、第二 芯线，53、第三芯线，54、第四芯线，55、第五芯线。
【具体实施方式】
[0027] 如图1所示，本发明公开一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，包括模数转 换器1、恒压源2、基准电阻3和模拟开关4,模数转换器1分别连接恒压源2和模拟开关4， 恒压源2连接五线制差动电阻式传感器，模拟开关4分别连接五线制差动电阻式传感器和 基准电阻3。
[0028] 一种利用前述测量五线制差动电阻式传感器的装置的测量方法，包括：
[0029] a、恒压源2激励五线制差动电阻式传感器，将五线制差动电阻式传感器中一个电 阻两端的电压作为模数转换器1的基准电压，测量五线制差动电阻式传感器中另一个电阻 两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻比；
[0030] b、基准电阻3两端的电压作为模数转换器1的基准电压，通过模拟开关4的切换 测量五线制差动电阻式传感器两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电 阻和；
[0031] a和b的顺序可以更换。
[0032] 其中，模数转换器1有效精度至少16位，根据《DLT 1134-2009大坝安全监 测数据自动采集装置》中对差动电阻式传感器测量技术要求，电阻比测量分辨率需达 到±0.00001，精度达到±0.00002。设定模数转换器的有效转换精度为N，则需要满足 2 N > 20000,则有模数转换器1有效精度至少16位。
[0033] 模数转换器1的模拟输入通道输入电压范围大于等于2倍基准电压，根据《DLT 1134-2009大坝安全监测数据自动采集装置》中对差动电阻式传感器测量技术要求，电阻比 的测量范围为：〇. 8~1. 2,模数转换器1的模拟输入通道最大输入电压能够达到基准电压 的1. 2倍，由于模数转换器1的基准电压为模拟通道最大输入电压的整数倍，则模数转换器 1的模拟输入通道输入电压范围大于等于2倍基准电压。
[0034] 模数转换器1至少包含两组模拟输入通道，为了降低电路复杂度，在测量电阻比 和电阻和时采用了不同的模拟输入通道，故模数转换器1至少包含两组模拟输入通道。
[0035] 恒压源2为高精度恒压源，因模数转换器1在实际测量时，是经过多次采样，然后 将多次采样的结果进行数据处理后输出的。为减少因恒压源的变化引起在模数转换器1的 一次测量过程中引起的测量误差。恒压源2为线性精度为0. 02%的高精度恒压源，且为防 止误操作将传感器两端用导线短接，恒压源2应具有短路保护功能。
[0036] 基准电阻3的精度彡±0.005 %，温度系数为彡±lppm。根据《DLT 1134-2009 大坝安全监测数据自动采集装置》中对差动电阻式传感器测量技术要求，电阻和的测 量范围为：0.02 Ω~120. 02 Ω，测量精度为±0.01 Ω，则对基准电阻3的误差要求须 彡0.01 Ω。设基准电阻3的阻值选择130 Ω，设其的精度为Y，则130* γ彡0.01，即有： Υ彡±0.0077%。按照电阻精度标注方法则有基准电阻3的精度彡±0.005%，温度系数 为 < ± lppm。
[0037] 模拟开关4为低导通电阻的模拟开关，为降低模拟开关4对外接测量仪表的影响， 应选择导通电阻为欧姆级别的模拟开关。在测量电阻比和电阻和的过程中需要切换不同的 基准源输入到模数转换器1的外部基准源的输入端。采用低导通电阻的模拟开关4实现基 准源的切换。在测量时，没有电流流经五线制差动电阻式传感器的对应芯线，模拟开关4的 导通电阻不会影响到电压作为模数转换器1的基准源的准确性。
[0038] 如图5所示是测量五线制差动电阻式传感器电阻比的等效电路图，使用恒压源2 激励五线制差动电阻式