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惠斯顿电桥原理及其应用

高工
2014-06-12 10:31:32    评分

惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的仪器。电阻R1,R2,R3,R4叫做电桥的四个臂,G为检流计,用以检查它所在的支路有无电流。当G无电流通过时,称电桥达到平衡。平衡时,四个臂的阻值满足一个简单的关系,利用这一关系就可测量电阻。平衡时,检流计所在支路电流为零,则有,(1)流过R1和R3的电流相同(记作I1),流过R2和R4的电流相同(记作I2)。(2)B,D两点电位相等,即UB=UD。因而有 I1R1=I2R2;个阻值已知,便可求得第四个电阻。测量时,选择适当的电阻作为R1和R2,用一个可变电阻作为R3,令被测电阻充当R4,调节R3使电桥平衡,电阻而且可利用高灵敏度的检流计来测零,故用电桥测电阻比用欧姆表分条件。电桥不平衡时,G的电流IG与R1,R2,R3,R4有关。利用这一关系也可根据IG及三个臂的电阻值求得第四个臂的阻值,因此不平衡电桥原则上也可测量电阻。

 WD-1惠斯顿电桥见图1方框内 ,A C间接1米长的伊文电阻丝(R1+R2 ),做“ 比率 ”电阻用。电阻丝AC下面是1米(0.5米)直尺,AB间接未知电阻RX ,BC间接电阻箱RS ,D为滑动按键。 G方框外连接的是配套仪器, E为直流稳压电源,R为滑线变阻器,K 1为单刀开关, K2为保护开关阻。G为检流计。

WD-1惠斯顿电桥

  基于惠斯顿电桥的压力传感器

  许多压力传感器使用微机电系统(MEMS)技术,它们由4个采用惠斯顿电桥结构连接的压敏电阻组成。当这些传感器上没有压力时,桥中的所有电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时,两个相向电阻的阻值将增加,而另两个电阻的阻值将减小,而且增加和减小的阻值彼此相等。

  遗憾的是,事情并非如此简单,因为传感器存在偏移和增益误差。偏移误差是指没有压力施加于传感器时存在输出;增益误差指传感器输出相对于施加于传感器外力的敏感程度。典型传感器一般规定激励电压为5V,具有20mV/V的标称满刻度输出。这意味着在激励电压为5V时,标称满刻度输出为:20 mV/V × 5 V = 100 mV.

  偏移电压可能是2mV,或满刻度的2%;最小和最大满刻度输出电压可能是50mV和150mV,或标称满刻度的±50%。

  假设两个电阻串联形成电阻串,由于是等值电阻,因此两电阻间的节点电压是电阻串电压的一半。如果一个电阻值增加1%,另一个电阻减小1%,那么两个电阻节点处的电压将改变1%。如果将两个电阻串进行并联,如图1所示,左边下方的电阻和右边上方的电阻阻值均减小1%,另外两个电阻增加1%,那么两个“中”点间的电压将从零差值变为改变2%。两个并行分支的这种配置就被称为惠斯顿桥。

  

  图1:受激励电压VEX和差分输出电压V驱动的惠斯顿桥。

  如果不了解偏移以及传感器输出电压和压力之间的真实关系,我们就只能粗略估计施加于传感器上的压力大小。这意味着需要采样校准的方法来获得更好的精度。

  幸运的是,给定传感器的偏移和满刻度误差随时间变化相当稳定,因此一旦传感器得到校准,在该传感器生命期内可能无需改变校准系数就能满足精度要求。当然,在每次上电时通常需要再次校准系统。

  




关键词: 惠斯顿电桥    

高工
2014-06-12 10:31:32    评分
2楼
基本信号调节电路由一个仪表放大器和一个模数转换器(ADC)组成。仪表放大器将来自传感器的小输出电压放大到适合ADC的电平,然后由ADC将放大后的传感器输出电压转换为数字式,再交给控制器或DSP处理(图2)。仪表放大器可以用来避免桥过载,而这种过载会改变传感器输出电压值。

  

基本压力传感器调节电路

  图2:基本压力传感器调节电路。

  传感器的满刻度输出即最大输入,能够在放大器输入端看到。当传感器输出处于满刻度时,ADC输入应该接近其满刻度值,这个值通常就是ADC的参考电压VREF。放大器要求的增益大小为:

  

  其中VREF代表ADC的参考电压,“Sensor FS”是传感器的满刻度输出值。假设电阻完美匹配,那么仪表放大器的增益等于:

  


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