本實(shí)用新型涉及過(guò)程檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種高精度單臂電橋電路。

背景技術(shù)：

電阻式傳感器在溫度、壓力、流量等熱工參數(shù)測(cè)量以及氣體分析儀器等各行各業(yè)都有廣泛應(yīng)用。其工作原理是，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成傳感器電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量傳感器電阻值的變化來(lái)間接測(cè)量被測(cè)量。電阻式傳感器大致可以分為電阻應(yīng)變式、壓阻式和熱阻式三類。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，需要信號(hào)調(diào)理電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化，以用于后續(xù)顯示或處理。

由于電阻式傳感器電阻信號(hào)變化很微弱，通常采用恒流源測(cè)電阻法和電橋法。恒流源測(cè)電阻法比較直觀，但要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量必須要求高準(zhǔn)確度恒流源?？紤]大電流會(huì)使電阻產(chǎn)生熱效應(yīng)從而影響測(cè)量準(zhǔn)確度，必須采用小電流恒流源。目前，電阻式傳感器的測(cè)量普遍采用電橋法，電橋法可以分為單臂電橋和差動(dòng)電橋，最常用的是單臂電橋電路。但是單臂電橋存在以下問(wèn)題：電阻的變化與電橋的不平衡輸出為非線性關(guān)系；電橋的不平衡輸出受電源電壓波動(dòng)影響；電橋整體電阻的變化也會(huì)對(duì)電橋不平衡輸出產(chǎn)生影響。所以，單臂電橋電路不能滿足電阻式傳感器測(cè)量的高準(zhǔn)確度。差動(dòng)電橋能夠很好地解決輸入輸出的非線性，但也存在以下問(wèn)題：需要使用多個(gè)電阻式傳感器，提高系統(tǒng)成本，降低電阻式傳感器使用率；不能解決測(cè)量或溫度變化時(shí)導(dǎo)致電橋兩端電壓變化對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響；要求構(gòu)成差動(dòng)的電阻式傳感器性能具有很好的一致性；安裝電阻式傳感器時(shí)必須保證嚴(yán)格的對(duì)稱性；有些電阻式傳感器不能采用差動(dòng)電橋，如熱阻式傳感器。

本實(shí)用新型，在單臂電橋電路的基礎(chǔ)上提出一種基于比率法的高精度單臂電橋電路，該電路克服了單臂電橋原理上非線性和電橋電壓的影響，能夠滿足電阻式傳感器測(cè)量的高準(zhǔn)確度要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

一種基于比率法的高精度單臂電橋電路由單臂電橋、二個(gè)儀用放大器G1和G2、直流電源U_S和V_CC及限流電阻R₀、模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC組成。

單臂電橋的四個(gè)橋臂由三個(gè)阻值分別為R₂、R₃、R₄的高精度電阻和一個(gè)阻值為R₁的電阻式傳感器組成；

電橋供電直流電源U_S經(jīng)過(guò)限流電阻R₀分壓以后為電橋的供電電壓U；電橋的供電電壓U正端串接電阻高精度R₂和電阻式傳感器R₁后接到直流電源U_S負(fù)端，儀用放大器G1的同相端和儀用放大器G2的反相端接在這二個(gè)電阻的中間；供電電壓U正端串接電阻高精度R₃和R₄后接到直流電源U_S負(fù)端，儀用放大器G1的反相端接在這二個(gè)電阻的中間；儀用放大器G2的同相端接電橋的供電電壓U正端；

模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的分辨力為n位，儀用放大器G1的輸出端接到模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的AIN輸入端，儀用放大器G2的輸出端接到模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的REF IN+參考輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的REF IN-端和GND端接到直流電源U_S負(fù)端，模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的電源端VCC接直流電源V_CC。

工作過(guò)程是：電橋的不平衡輸出U₀₁和電橋同一側(cè)另一臂的電壓U₀₂經(jīng)過(guò)放大以后接入模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC中，放大的U₀₁作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的模擬輸入電壓，放大的U₀₂作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的參考電壓，則經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量N的值與電阻的變化量ΔR是線性關(guān)系，與直流電源U_S和模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的參考電壓沒(méi)有關(guān)系。

本實(shí)用新型的有益技術(shù)效果是：若采用高準(zhǔn)確度的橋臂電阻和高準(zhǔn)確度的儀用放大器，則系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確度。

附圖說(shuō)明

附圖1是基于比率法的高精度單臂電橋電路。

附圖2是傳統(tǒng)的單臂電橋電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型裝置的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說(shuō)明。

與傳統(tǒng)的單臂電橋相比，基于比率法的高精度單臂電橋電路的不同之處在于，將電橋同側(cè)另一臂的電壓值作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的參考電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了電橋的不平衡輸出和同側(cè)另一臂的電壓之間的比率關(guān)系。

附圖2傳統(tǒng)的單臂電橋電路中R₁為電阻式傳感器，R₂、R₃、R₄為高精度電阻，電橋供電直流電源U_S，經(jīng)過(guò)限流電阻R₀分壓以后電橋的供電電壓為U，電橋的不平衡輸出U0經(jīng)過(guò)儀用放大器放大以后，作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的模擬輸入?？傻肬₀的值：

設(shè)模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的分辨力為n位，經(jīng)過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換以后可得到模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)字量N的值：

一般情況下，電橋中電阻傳感器R₁初始值為R，變化量為ΔR；R₂＝R₃＝R₄＝R，則有：

由式(1)、式(2)和式(3)可知，最終經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后的輸出數(shù)字量N的值存在以下問(wèn)題：

1)N與電阻變化量ΔR不成嚴(yán)格的線性關(guān)系，原理上具有非線性誤差；

2)N受模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC參考電壓的影響，參考電壓的誤差也會(huì)引入測(cè)量結(jié)果中；

3)電源電壓的波動(dòng)或誤差導(dǎo)致電橋兩端電壓的變化，從而影響測(cè)量結(jié)果；

4)測(cè)量或溫度變化引起的電橋整體電阻的變化會(huì)導(dǎo)致電橋兩端電壓的變化，從而影響測(cè)量結(jié)果。

附圖1所示基于比率法的單臂電橋電路總體上和傳統(tǒng)的單臂電橋電路一致，有變化的是模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的參考電壓。電橋的不平衡輸出U₀₁和電橋同一側(cè)另一臂的電壓U₀₂可表示為：

二者經(jīng)過(guò)放大以后接入模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC中，放大的U₀₁作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的模擬輸入電壓，放大的U₀₂作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的參考電壓，則經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量N的值為：

將式(4)和式(5)代入，可得：

一般情況下，電橋中電阻傳感器R₁初始值為R，變化量為ΔR；R₂＝R₃＝R₄＝R，則有：

由式(8)所示，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC后輸出數(shù)字量N的值與電阻的變化量ΔR是線性關(guān)系，與直流電源U_S和模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC的參考電壓沒(méi)有關(guān)系。若采用高準(zhǔn)確度的橋臂電阻和高準(zhǔn)確度的儀用放大器，則系統(tǒng)具有很高的準(zhǔn)確度。

以上所述的僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)用新型不限于以上實(shí)施例。可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型的精神和構(gòu)思的前提下直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的其他改進(jìn)和變化，均應(yīng)認(rèn)為包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。