電阻電橋型傳感器的非線性補償電路設(shè)計

陳玉偉，張 叢

(青島航天半導體研究所有限公司，山東 青島266071)

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電阻電橋型傳感器的非線性補償電路設(shè)計

陳玉偉，張 叢

(青島航天半導體研究所有限公司，山東 青島266071)

為了修正輸出特性為下凹形曲線的電阻電橋型傳感器的非線性誤差，文中在電橋電路中引入了一個共模電阻元件，利用單電源供電的PGA放大器實現(xiàn)了電阻電橋型傳感器的非線性補償，非線性由原來的0.5%FS減小到了0.03%FS。

電阻電橋；傳感器；非線性補償；共模電阻

對于大部分的電阻型傳感器，為了能得到被測物理量對應(yīng)的信號，都是將其接成電阻電橋的形式，根據(jù)敏感元件是單個電阻、2個電阻及4個電阻，從而可用單臂電橋、半橋及四臂電橋[1]得到對應(yīng)物理量的輸出參數(shù)，然后將電橋輸出的電壓信號經(jīng)放大器放大后交給后續(xù)儀表來完成測量顯示及控制功能。組成傳感器的測量電路，除了電橋本身的非線性，還有敏感元件固有的非線性。若要得到線性的輸入輸出特性，減少或消除傳感器及轉(zhuǎn)換電路的非線性帶來的測量誤差，一般都要對其進行非線性補償。為此，諸多學者采用了各種各樣的非線性補償方法[2-5]，使傳感器的輸入輸出特性達到了較好的線性度，但大部分的補償電路需要兩個或多個放大器，且供電電源要求為正負電源，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。特別對于輸入輸出特性為下凹形曲線的傳感器，無法使用正反饋放大電路補償傳感器的非線性。本文試圖探討一種輸入信號增大時輸出信號靈敏度也增大的非線性誤差問題的解決方法，給出一種較為簡單、可靠的硬件非線性補償電路。

1 電路設(shè)計原理

1.1 電阻電橋放大電路

在常規(guī)的等臂電阻電橋中，若每個橋臂中的電阻都隨著輸入信號的變化是線性變化的，把4個橋臂電阻接入圖1所示的電路中即組成了電阻電橋放大電路，圖中的PGA為可編程儀表放大器。

圖1 電阻電橋放大電路

圖1所示的電阻電橋，其輸出信號[1]為

(1)

若放大器的放大倍數(shù)為K，則放大后的輸出信號為

(2)

于是隨著ΔR的線性變化，輸出信號VO也是線性變化的。

1.2 非線性仿真電路

為了改變電阻電橋型傳感器輸入輸出信號的非線性，設(shè)想設(shè)計一個線性放大電路的反電路，所設(shè)計的電路其輸出信號的一部分返回到輸入端使輸入信號減小，適當調(diào)整返回的量值，使輸入輸出關(guān)系呈現(xiàn)某一非線性變化的規(guī)律，使一個本來是線性輸出的電路變?yōu)榉蔷€性的輸出。盡管電橋的輸出是線性的，但經(jīng)過放大后的信號則是非線性的。為此，設(shè)計出圖2所示的電路。

圖2 電阻電橋傳感器非線性仿真電路

圖2中的電橋是一個等臂的電阻電橋，與常規(guī)電橋不同的是，電路中引入了一個稱為共模電阻的元件RC，且通過RF將輸出信號VO引回到電橋的供電電源負端，使加在電橋兩端的電壓是變化的。為了使輸入信號不直接影響輸出信號，圖2中各個電阻的參數(shù)須滿足RF?R?RC。

電路中的Vr和VO均視為電壓源，按照疊加定理[6]可計算出RC上的電壓降VC。分別計算Vr和VO對RC的作用。當Vr作用時將VO視為對地短路，計算出VC1；當VO作用時，將Vr視為對地短路，計算出VC2。則

(3)

從式(3)中可看出，只要RC和RF選定，VC1就是常數(shù)，而VC2會隨著放大器輸出電壓VO的增大而增大，從而加在電橋上的電壓會隨輸入信號的增大而減小，則電橋輸出信號呈現(xiàn)非線性。

當ΔR線性增大時，由仿真軟件得到表1所示的測量結(jié)果。

表1 輸出電壓VO與ΔR的仿真測量結(jié)果

從表1可看出圖2所示的電路，輸出信號VO隨輸入信號的線性增大有減小的趨勢，呈現(xiàn)出輸入輸出曲線是上凸形的，非線性誤差出現(xiàn)在輸出信號量程的中點，RC上的電壓降隨著VO的增大而增大。

2 非線性補償電路的實現(xiàn)

組成電橋的傳感器其輸入輸出曲線若呈現(xiàn)出下凹的形狀，就可采用如圖2所示的電路作為傳感器的放大電路。電路中的供電電源采用單電源5 VDC，由于共模電阻RC的引入，使VO通過RF對電橋兩端的供電電源施加影響，且產(chǎn)生的影響與傳感器的非線性趨勢相反而相互抵消，可采用調(diào)試端點(零位和滿度)看中點的方法進行補償。當傳感器的量程確定后，適當選擇RC，選取合適的RF后就可使傳感器的輸出信號隨輸入信號是線性變化的。

3 試驗結(jié)果

合金膜壓力傳感器具有穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)小的優(yōu)點，但其輸出電壓隨輸入信號(壓力)的增大而呈現(xiàn)下凹的輸出曲線，其非線性誤差約為0.5%FS。把壓力傳感器接入圖3所示的電路，若壓力的測量范圍為0～40 MPa，輸出信號為4～20 mA，供電電壓為24 VDC，放大電路中的PGA采用TI公司的可編程儀表放大器PGA308[7]，Vr用TI公司的電壓電流轉(zhuǎn)換器XTR116[8]，做成的壓力傳感器其測量結(jié)果如表2所示。

表2 壓力傳感器標定測試結(jié)果

圖3 壓力傳感器非線性補償變送電路

從表2中數(shù)據(jù)計算可得出傳感器的最大非線性誤差為0.03%FS，與未補償前的傳感器非線性誤差相比降低了一個數(shù)量級。所述的壓力傳感器在本單位已進行了小批量生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計雖然只是對合金膜壓力傳感器的非線性補償進行了驗證和實施，但對于輸出特性為下凹形的電阻電橋型傳感器的非線性補償同樣適用；非線性補償電路中共模電阻的引入，使單電源的PGA放大器放大電阻電橋型傳感器的信號、改善補償傳感器的非線性成為了可能；電路中的放大器采用了對傳感器零位及滿度可數(shù)字調(diào)試的可編程儀表放大器，減小了調(diào)試過程中用電位器或更換電阻帶來的精度低、穩(wěn)定性差的問題；提供了一種利用簡單電阻電路進行非線性補償?shù)男路椒?，達到了既能實現(xiàn)較高精度又能有高性價比的效果。

[1] 趙燕.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京大學出版社,2010.

[2] 朱武,張佳民.用放大器反饋控制消除電橋非線性誤差[J].光學精密工程,2007,15(6):910-914.

[3] 文成,秦樹人.應(yīng)變測量中單臂電橋輸出的線性化處理[J].重慶大學學報,2007,27(1):28-31.

[4] 劉魁方,黃民,姚小敏.基于虛擬儀器的高精度壓力信號放大系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技,2013,26 (2):32-35.

[5] 樊德軍,崔仁濤,陳滌.消除傳感器電橋非線性誤差的方法[J].儀表技術(shù)與傳感器,1998(4):37-42.

[6] 畢淑娥.電路分析基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[7] Texas Instruments,Inc.PGA308 product datasheet[EB/OL].(2010-09-12)[2017-04-11]http:// www.ti.com.

[8] Texas Instruments,Inc. XTR116 product datasheet[OB/OL].(2003-08-16)[2017-04-11]http:// www.ti.com.

Design of Nonlinear Compensating Circuit of a Resistance Bridge Type Sensor

CHEN Yuwei,ZHANG Cong

(Qingdao Aerospace Semiconductor Institute Co.,LTD.,Qingdao 266071,China)

In order to correct the nonlinear error of the resistance bridge type sensor for the concave curve of output characteristics, a common mode resistor is adopted in the bridge circuit. The nonlinear compensation of resistance bridge type sensor is realized by using a PGA amplifier supplied by a single power supply, and the nonlinearity is reduced from 0.5%FS to 0.03%FS.

resistance bridge；sensor；nonlinear compensating；common mode resistor

2016- 11- 07

陳玉偉(1960-)，男，高級工程師。研究方向：傳感器及電子技術(shù)應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.035

TN702

A

1007-7820(2017)07-128-03