电桥拓扑结构中的有源元件
如图 1-3 所示,基本电桥具有一个有源电阻式元件,而其他三个元件是静态电阻。这些单一有源元件电桥结构简单,成本较低。但它们在满量程范围内测量的灵敏度较低,非线性度较高。其他电桥拓扑结构可能具有两个有源电阻式元件和两个静态电阻。在某些情况下,所有四个电阻式元件可以都是有源元件。这些电桥可提高电桥测量的灵敏度并降低非线性度。无论哪种配置,电桥功能保持不变:测量电阻式元件随激励电压的变化。
具有一个有源元件的电桥
最简单的电桥拓扑结构具有一个有源电阻式元件,而其他三个元件是静态电阻,如图 2-1 所示。这称为四分之一电桥。
方程式3 计算图 2-1 中两个分压器之间的 VOUT:
合并同类项并简化方程式 3 可得到方程式 4:
方程式 4 显示了当 ΔR 远小于 R (ΔR << R) 时,VOUT与VEXCITATION 和 ΔR 成正比。通过绘制 VOUT 相对于ΔR从零点到满量程 (ΔRFS)变化的曲线,可以确认这一关系。图2-2 显示了 R =1kΩ、VEXCITATION = 10V且ΔRFS = 1Ω 时的这一曲线。
虽然图 2-2 中并不明显,但由于方程式 4 分母中的 2R + ΔR 项,此电桥拓扑结构具有很小的固有非线性。取图 2-2 中曲线的端点并从曲线中去除终点斜率,可看到此电桥拓扑结构的非线性。图2-3通过绘制非线性与满量程百分比的曲线,显示了这种现象。
图 2-3 中所示的非线性直接来自于具有一个有源元件的电桥拓扑结构,并不包括单个有源电阻式元件中的任何非线性。
使用电流激励在具有一个有源元件的电桥中降低非线性
通过使用电流激励而不是电压激励,可以在具有一个有源元件的电桥中降低非线性,如图 2-4 所示。
方程式 5 计算当 IEXCITATION 在图 2-4 中的每个电桥支路之间分配时,生成的输出电压 VOUT:
转换并合并同类项后,方程式 5 可简化为方程式 6:
比较方程式 6 的分母 (4∙R + ΔR) 和方程式 4 的分母 (2∙ R + ΔR) 可发现,与使用电压激励的相同电路相比,使用电流激励的单有源元件电桥拓扑结构导致的非线性降低了约 ½。使用电流激励的电桥测量系统具有其他优势和挑战。有关如何实施此电路的更多信息,请参阅节 6.5。
在对面支路中具有两个有源元件的电桥
电桥也可以由多个有源元件构成。图 2-5 显示了在电桥对侧不同支路中具有两个有源元件的传感器。这称为半桥。
方程式7计算图 2-5 中所示在对面支路中具有两个有源元件的电桥的 VOUT:
与具有一个有源元件的电桥类似,方程式 7 显示了当 ΔR 很小时,VOUT 与 VEXCITATION 和 ΔR 成正比。此外,两种电桥类型的 VOUT 公式的分母中都有 ΔR 项,因此具有与图 2-3 所示相同的非线性。但单有源元件电桥和双有源元件的电桥之间的重要区别在于灵敏度。后者对于给定VEXCITATION,VOUT 提高两倍。与单有源元件电桥相比,这个更大的输出信号可使动态范围加倍,实现更好的ADC测量。
使用电流激励消除对面支路中具有两个有源元件的电桥中的非线性
图 2-6 显示了如何通过使用电流激励而不是电压激励,消除对面支路中具有两个有源元件的电桥中的非线性。
方程式8计算IEXCITATION在图 2-6 中的每个电桥支路之间分配时产生的输出电压 VOUT。
方程式 8 中的比率 (2 ∙ R + ΔR) / (4 ∙ R + 2 ∙ ΔR) 简化为 ½,得出方程式 9 中的简化结果:
与使用电压激励的电路不同,方程式9的分母中没有ΔR项。因此,由于对面支路中具有两个有源元件的电桥的拓扑结构,电流激励可消除非线性误差。相比之下,使用电压激励的相同电路具有与 2 ∙ R + ΔR 成正比的非线性误差。
使用电流激励的电桥测量系统具有其他优势和挑战。有关如何实施此电路的更多信息,请参阅节 6.5。
在同一支路中具有两个有源元件的电桥
电桥也可以由同一支路中的两个有源元件构成。图 2-7显示了此类型配置的示例,该配置也可称为半桥。
方程式10和方程式11计算图 2-7中所示在同一支路中具有两个有源元件的电桥的VOUT:
与前面的电桥配置类似,VOUT与VEXCITATION和ΔR成正比。与前面的电桥拓扑结构不同的是,方程式11的分母中没有ΔR项。因此,同一支路中具有两个有源元件的电桥没有固有非线性,电压或电流激励都是如此。但这并不包括来自实际传感器的任何非线性。
具有四个有源元件的电桥
最终电桥配置由四个有源元件构成,每个元件对相同应变产生相同幅度的电阻变化。但这一变化在电桥对侧的方向相反。此配置称为全桥,如图 2-8 所示。
方程式12和方程式13计算图2-8中具有四个有源元件的电桥的 VOUT:
与前面的所有电桥配置类似,如果 ΔR 很小,VOUT 将与VEXCITATION和 ΔR 成正比。四有源元件电桥的优势在于,其灵敏度比两种双有源元件电桥配置高两倍,比单有源元件电桥高四倍。此外,四有源元件电桥拓扑结构的电桥输出中没有固有的非线性。电压和电流激励都是如此。
应变仪和电桥结构
电桥测量常见用例的一个示例是由应变仪元件构成的称重传感器。应变仪是一种导线或金属箔片,其电阻会随着元件的变形而变化。当应变仪受拉(伸展)时,箔片会延长,导致电阻增加。当应变仪受压时,箔片会缩短,导致电阻减小。图 2-9 显示了电阻随应变仪长度的变化而变化。静止状态的应变仪显示为黑色,受拉应变仪显示为绿色,受压应变仪显示为红色。
应变仪通常固定在具有少许挠度的结构上。例如,固定重物的杆件会在施加的负荷作用下出现一定的拉伸。固定到杆件上的应变仪也会随着杆件的变形而出现轻微拉伸,导致应变仪电阻增加,从而可以测量拉力。同样,如果杆件压缩,应变仪也会压缩,从而导致电阻变化,变化量与杆件上的压力大小直接相关。
使用应变仪的另一个轻微伸缩元件示例是称重传感器,类似于图 2-10 所示。
将应变仪布置到电桥配置中便可构成称重传感器。图 2-11 显示了一个常见的单点称重传感器,在孔径周围的不同点具有四个应变片。如图所示,施加的向下力会使称重传感器的自由端平行于固定端移动。在此配置中,相对的应变仪分别受拉(绿色)和受压(红色)。这种机械方向可形成适当的四有源元件电桥。
图 2-12 显示了电桥四个电气位置中的电阻。重画的称重传感器拉伸(绿色)和压缩(红色)元件显示,这些元件对于电桥对侧的应变具有相反的反应。
使用这些类型称重传感器的一种常见应用是称重秤。称重秤可以使用一个或多个称重传感器同时进行测量。然后使用这些称重传感器测量值的总和来计算所测量物体的重量。
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原文标题:电桥测量基本指南- 电桥结构
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