電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的有源元件

電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的有源元件

如圖 1-3 所示，基本電橋具有一個(gè)有源電阻式元件，而其他三個(gè)元件是靜態(tài)電阻。這些單一有源元件電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。但它們?cè)跐M量程范圍內(nèi)測(cè)量的靈敏度較低，非線性度較高。其他電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能具有兩個(gè)有源電阻式元件和兩個(gè)靜態(tài)電阻。在某些情況下，所有四個(gè)電阻式元件可以都是有源元件。這些電橋可提高電橋測(cè)量的靈敏度并降低非線性度。無論哪種配置，電橋功能保持不變：測(cè)量電阻式元件隨激勵(lì)電壓的變化。

具有一個(gè)有源元件的電橋

最簡(jiǎn)單的電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一個(gè)有源電阻式元件，而其他三個(gè)元件是靜態(tài)電阻，如圖 2-1 所示。這稱為四分之一電橋。

方程式3 計(jì)算圖 2-1 中兩個(gè)分壓器之間的 VOUT：

合并同類項(xiàng)并簡(jiǎn)化方程式 3 可得到方程式 4：

方程式 4 顯示了當(dāng) ΔR 遠(yuǎn)小于 R (ΔR << R) 時(shí)，VOUT與VEXCITATION 和 ΔR 成正比。通過繪制 VOUT 相對(duì)于ΔR從零點(diǎn)到滿量程 (ΔRFS)變化的曲線，可以確認(rèn)這一關(guān)系。圖2-2 顯示了 R =1kΩ、VEXCITATION = 10V且ΔRFS = 1Ω 時(shí)的這一曲線。

雖然圖 2-2 中并不明顯，但由于方程式 4 分母中的 2R + ΔR 項(xiàng)，此電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很小的固有非線性。取圖 2-2 中曲線的端點(diǎn)并從曲線中去除終點(diǎn)斜率，可看到此電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非線性。圖2-3通過繪制非線性與滿量程百分比的曲線，顯示了這種現(xiàn)象。

圖 2-3 中所示的非線性直接來自于具有一個(gè)有源元件的電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并不包括單個(gè)有源電阻式元件中的任何非線性。

使用電流激勵(lì)在具有一個(gè)有源元件的電橋中降低非線性

通過使用電流激勵(lì)而不是電壓激勵(lì)，可以在具有一個(gè)有源元件的電橋中降低非線性，如圖 2-4 所示。

方程式 5 計(jì)算當(dāng) IEXCITATION 在圖 2-4 中的每個(gè)電橋支路之間分配時(shí)，生成的輸出電壓 VOUT：

轉(zhuǎn)換并合并同類項(xiàng)后，方程式 5 可簡(jiǎn)化為方程式 6：

比較方程式 6 的分母 (4?R + ΔR) 和方程式 4 的分母 (2? R + ΔR) 可發(fā)現(xiàn)，與使用電壓激勵(lì)的相同電路相比，使用電流激勵(lì)的單有源元件電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致的非線性降低了約 ?。使用電流激勵(lì)的電橋測(cè)量系統(tǒng)具有其他優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。有關(guān)如何實(shí)施此電路的更多信息，請(qǐng)參閱節(jié) 6.5。

在對(duì)面支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋

電橋也可以由多個(gè)有源元件構(gòu)成。圖 2-5 顯示了在電橋?qū)?cè)不同支路中具有兩個(gè)有源元件的傳感器。這稱為半橋。

方程式7計(jì)算圖 2-5 中所示在對(duì)面支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋的 VOUT：

與具有一個(gè)有源元件的電橋類似，方程式 7 顯示了當(dāng) ΔR 很小時(shí)，VOUT 與 VEXCITATION 和 ΔR 成正比。此外，兩種電橋類型的 VOUT 公式的分母中都有 ΔR 項(xiàng)，因此具有與圖 2-3 所示相同的非線性。但單有源元件電橋和雙有源元件的電橋之間的重要區(qū)別在于靈敏度。后者對(duì)于給定VEXCITATION，VOUT 提高兩倍。與單有源元件電橋相比，這個(gè)更大的輸出信號(hào)可使動(dòng)態(tài)范圍加倍，實(shí)現(xiàn)更好的ADC測(cè)量。

使用電流激勵(lì)消除對(duì)面支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋中的非線性

圖 2-6 顯示了如何通過使用電流激勵(lì)而不是電壓激勵(lì)，消除對(duì)面支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋中的非線性。

方程式8計(jì)算IEXCITATION在圖 2-6 中的每個(gè)電橋支路之間分配時(shí)產(chǎn)生的輸出電壓 VOUT。

方程式 8 中的比率 (2 ? R + ΔR) / (4 ? R + 2 ? ΔR) 簡(jiǎn)化為 ?，得出方程式 9 中的簡(jiǎn)化結(jié)果：

與使用電壓激勵(lì)的電路不同，方程式9的分母中沒有ΔR項(xiàng)。因此，由于對(duì)面支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流激勵(lì)可消除非線性誤差。相比之下，使用電壓激勵(lì)的相同電路具有與 2 ? R + ΔR 成正比的非線性誤差。

使用電流激勵(lì)的電橋測(cè)量系統(tǒng)具有其他優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。有關(guān)如何實(shí)施此電路的更多信息，請(qǐng)參閱節(jié) 6.5。

在同一支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋

電橋也可以由同一支路中的兩個(gè)有源元件構(gòu)成。圖 2-7顯示了此類型配置的示例，該配置也可稱為半橋。

方程式10和方程式11計(jì)算圖 2-7中所示在同一支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋的VOUT：

與前面的電橋配置類似，VOUT與VEXCITATION和ΔR成正比。與前面的電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的是，方程式11的分母中沒有ΔR項(xiàng)。因此，同一支路中具有兩個(gè)有源元件的電橋沒有固有非線性，電壓或電流激勵(lì)都是如此。但這并不包括來自實(shí)際傳感器的任何非線性。

具有四個(gè)有源元件的電橋

最終電橋配置由四個(gè)有源元件構(gòu)成，每個(gè)元件對(duì)相同應(yīng)變產(chǎn)生相同幅度的電阻變化。但這一變化在電橋?qū)?cè)的方向相反。此配置稱為全橋，如圖 2-8 所示。

方程式12和方程式13計(jì)算圖2-8中具有四個(gè)有源元件的電橋的 VOUT：

與前面的所有電橋配置類似，如果 ΔR 很小，VOUT 將與VEXCITATION和 ΔR 成正比。四有源元件電橋的優(yōu)勢(shì)在于，其靈敏度比兩種雙有源元件電橋配置高兩倍，比單有源元件電橋高四倍。此外，四有源元件電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電橋輸出中沒有固有的非線性。電壓和電流激勵(lì)都是如此。

應(yīng)變儀和電橋結(jié)構(gòu)

電橋測(cè)量常見用例的一個(gè)示例是由應(yīng)變儀元件構(gòu)成的稱重傳感器。應(yīng)變儀是一種導(dǎo)線或金屬箔片，其電阻會(huì)隨著元件的變形而變化。當(dāng)應(yīng)變儀受拉（伸展）時(shí)，箔片會(huì)延長，導(dǎo)致電阻增加。當(dāng)應(yīng)變儀受壓時(shí)，箔片會(huì)縮短，導(dǎo)致電阻減小。圖 2-9 顯示了電阻隨應(yīng)變儀長度的變化而變化。靜止?fàn)顟B(tài)的應(yīng)變儀顯示為黑色，受拉應(yīng)變儀顯示為綠色，受壓應(yīng)變儀顯示為紅色。

應(yīng)變儀通常固定在具有少許撓度的結(jié)構(gòu)上。例如，固定重物的桿件會(huì)在施加的負(fù)荷作用下出現(xiàn)一定的拉伸。固定到桿件上的應(yīng)變儀也會(huì)隨著桿件的變形而出現(xiàn)輕微拉伸，導(dǎo)致應(yīng)變儀電阻增加，從而可以測(cè)量拉力。同樣，如果桿件壓縮，應(yīng)變儀也會(huì)壓縮，從而導(dǎo)致電阻變化，變化量與桿件上的壓力大小直接相關(guān)。

使用應(yīng)變儀的另一個(gè)輕微伸縮元件示例是稱重傳感器，類似于圖 2-10 所示。

將應(yīng)變儀布置到電橋配置中便可構(gòu)成稱重傳感器。圖 2-11 顯示了一個(gè)常見的單點(diǎn)稱重傳感器，在孔徑周圍的不同點(diǎn)具有四個(gè)應(yīng)變片。如圖所示，施加的向下力會(huì)使稱重傳感器的自由端平行于固定端移動(dòng)。在此配置中，相對(duì)的應(yīng)變儀分別受拉（綠色）和受壓（紅色）。這種機(jī)械方向可形成適當(dāng)?shù)乃挠性丛姌颉?/p>

圖 2-12 顯示了電橋四個(gè)電氣位置中的電阻。重畫的稱重傳感器拉伸（綠色）和壓縮（紅色）元件顯示，這些元件對(duì)于電橋?qū)?cè)的應(yīng)變具有相反的反應(yīng)。

使用這些類型稱重傳感器的一種常見應(yīng)用是稱重秤。稱重秤可以使用一個(gè)或多個(gè)稱重傳感器同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。然后使用這些稱重傳感器測(cè)量值的總和來計(jì)算所測(cè)量物體的重量。

審核編輯：湯梓紅