CN110672904A

CN110672904A - 一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路

Info

Publication number: CN110672904A
Application number: CN201911123740.3A
Authority: CN
Inventors: 吴远星; 王晓琴; 王洪超; 宋军华; 薄云峰
Original assignee: Beijing Xiantong Kangqiao Medicine Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Xiantong Kangqiao Medicine Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-17
Filing date: 2019-11-17
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明提供一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，具体涉及传感器信号转换和测量技术领域，包括桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1，电阻传感器R2，直流激励电压源，运算放大器，所述桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1、电阻传感器R2和运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，电阻传感器R2同时作为运算放大器的反馈电阻，运算放大器的输出电压变化量正比于电阻传感器R2的相对变化率，该电路主要用于微弱信号的精密测量。

Description

一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路

技术领域

本发明涉及一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，属于电桥测量电路的微小信号测量转换技术，属于传感器信号转换和测量技术领域。

背景技术

很多传感器可以将某种物理量转换为电阻或者电容等电参数的变化，通过测量对应的电参数变化可以间接测得待测物理量。大部分情况下，这些电参数的变化及其微弱，普通的测量方法精确度和准确度都难以保证。而电桥正是测量这类微弱电阻、电容变化的有效手段。电桥是一种类似于天平的比较式测量仪器。电桥将传感器本身置身与某种平衡当中，当待测物理量无输入变化时，电桥处于平衡状态，当有物理量输入时，平衡被打破。在非平衡电桥应用中，电路通过测量不平衡量的大小测量桥臂参数的变化。在平衡电桥应用中，电路通过测量使电桥平衡的补偿量的大小测量桥臂参数的变化。

电桥具有多种形式，单臂电桥有明显的缺陷，首先输出并非期望的线性输出，其次灵敏度较低。另外传感器的初始电阻容易随温度变化而变化，无外部输入的电桥逐渐失衡，导致额外的零点输出。这些缺点大大限制了单臂电桥的使用。双臂电桥巧妙地克服了单臂电桥几乎所有的缺点：非线性变成了线性，灵敏度提高了一倍，温度漂移得到补偿。遵循同样的思路，把双臂电桥变成四臂电桥，这种形式的电桥可以进一步提高测量灵敏度而不丧失线性输出和温漂抑制的优点。然而以上改进措施的代价是引入额外的传感器，这导致了电路的成本增加。在很多情况下，难以获得随外部物理激励变化相反的两个传感器，例如气压传感器，热阻传感器，这种情况下无法使用双臂电桥或者四臂电桥。无论是单臂电桥、双臂电桥，还是四臂电桥，桥路直接输出的电压幅度非常小，非常容易被淹没于噪声当中。电桥信号需要被后级电路进一步放大。除此之外，电桥内阻的不一致会进一步增加差分运放的电阻匹配误差，从而降低整个电路的共模抑制能力。

正如前述，电桥在微弱信号测量领域中应用极为广泛。根据桥臂的数量，有几种典型的电桥变式。其中单臂电桥具有输入输出非线性、灵敏度低的缺点，双臂电桥和四臂电桥用传感器数量作为代价克服了以上缺点，但在某些显而易见的情况下，无法构造双臂或者四臂电桥。

因此需要一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路以解决上述问题，在单臂（即单传感器）情况下，解决电桥输入输出非线性、电桥灵敏度低的问题，并解决对应的单臂电桥温度漂移问题。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明的目的是提供一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，解决单臂电桥输入输出非线性、电桥灵敏度低的技术问题。同时，作为基本电路形式的进一步延伸，也顺带提供了一种相比与传统电桥电路，灵敏度更高、电路形式更加简洁的双臂电桥电路和四臂电桥电路。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1，电阻传感器R2，直流激励电压源，运算放大器，所述桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1、电阻传感器R2和运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，参考桥臂的测量点连接运算放大器的同相端，电阻传感器R2所在桥臂的测量点连接运算放大器的反相端，电阻传感器R2同时作为运算放大器的反馈电阻，运算放大器的输出电压变化量正比于电阻传感器R2的相对变化率。

优选地，所述电路还包括后级反相放大电路，所述后级反相放大电路位于电路的输出端，该后级反相放大电路将电阻传感器R2的变化信号进一步放大且使电阻传感器R2变化方向与电路的最终输出变化方向一致。

优选地，所述电路还包括调零电路，所述调零电路位于电路的输出端，该调零电路从后级反相放大电路的反相端接入，手动调整调零电路可以使电阻传感器R2无输入时电路输出为0。

优选地，所述电路还包括电压基准偏移电路，所述基准偏移电路使用两个串联分压电阻R5、R6产生一个激励电压源的分压点，该分压点连接到一个运放构成的电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端产生一个直流偏压替代原先的参考点，从而使得整个电路可以使用单电源供电。

优选地，所述电路还包括模拟数字转化器，该模拟数字转化器的参考电压与电桥激励电压共用一个电压源，或者来自电桥激励电压的分压。

优选地，所述平衡桥臂中的桥臂电阻R3和桥臂电阻R4采用同材质的电阻，且桥臂电阻R1与电阻传感器R2采用同材质的电阻。

为了使上述电路的基本形式可以用于差动电阻传感器的测量，并且进一步提高灵敏度并保持输入输出输出线性性，本发明还提供一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4、参考电阻R1，参考电阻R2，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4的变化方向相反，所述差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4、参考电阻R1，参考电阻R2，运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，其测量点接入运算放大器同相端；参考电阻R1和参考电阻R2构成另一个桥臂，其中一个作为差分式放大电路的反馈电阻，当桥臂比为1时，运算放大器输出完全正比于传感器变化率。

为了使上述电路的基本形式可以用于差动电阻传感器的测量，并且再一步提高灵敏度，本发明还提供另外一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R4、差动电阻传感器R2、参考电阻R3，参考电阻R1，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R4和差动电阻传感器R2的变化方向相反，所述差动电阻传感器R4、差动电阻传感器R2、参考电阻R3，参考电阻R1，运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述参考电阻R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，参考电阻R1和差动电阻传感器R2构成另一个桥臂，两桥臂测量点分别接入差分式放大电路的同相端和反相端。

为了使上述电路的基本形式可以用于差动电阻传感器的测量，并且更一步提高灵敏度，本发明还提供第四种传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R1、差动电阻传感器R2、差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R1和差动电阻传感器R2的变化方向相反，差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4的变化方向相反，而差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R2的变化方向相同，所述差动电阻传感器R1、差动电阻传感器R2、差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4和运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，其测量点接入运算放大器同相端；差动电阻传感器R1和差动电阻传感器R2构成另一个桥臂，其测量点接入运算放大器反相端。

对于第一个实施例电路的所有优选措施，对于本专利的其他实施例电路均适用。

附图说明

图1示出本发明第一实施例电路原理图1；

图2示出本发明第一实施例电路原理图2；

图3示出本发明第一实施例电路原理图3；

图4示出本发明第二实施例电路原理图；

图5示出本发明第三实施例电路原理图；

图6示出本发明第四实施例电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明提供一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1，电阻传感器R2，直流激励电压源，运算放大器，所述桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1、电阻传感器R2和运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，参考桥臂的测量点连接运算放大器的同相端，电阻传感器R2所在桥臂的测量点连接运算放大器的反相端，电阻传感器R2同时作为运算放大器的反馈电阻，运算放大器的输出电压变化量正比于电阻传感器R2的相对变化率。

图1所示电路即为用于微弱信号测量的电桥电路，应用基本的运算放大器电路分析方法，可以得到该电路的输出表达式：

假定桥臂比

，传感器R2初始电阻为

，电阻变化为，则电桥的输出为：

如图2所示，所述电路还包括后级反相放大电路，所述后级反相放大电路位于电路的输出端，该后级反相放大电路将电阻传感器R2的变化信号进一步放大且使电阻传感器R2变化方向与电路的最终输出变化方向一致。因为电桥输出与传感器电阻变化方向相反，可以在后续加一级反相器加以纠正，如图5所示。电路的输出为：

其中，所述电路中R8为调零电位器，手动调整调零电路可以使电阻传感器R2无输入时电路输出为0。

根据式子（2-5），电路输出变化随传感器电阻的变化率的变化规律为严格的线性关系。

式子（2-6）说明该种电桥的灵敏度始终大于单臂电桥的灵敏度。

特别地，当

时，

，灵敏度为单臂电桥灵敏度上限的2倍，与双臂电桥的灵敏度相同。当k取较小值时，灵敏度接近四臂电桥的灵敏度。严格的线性关系和较高的灵敏度是所述电路的最大优点，这消除了单传感器电桥应用与生俱来的非线性误差和低灵敏度缺点。

除此之外，传统单臂电桥电路为了获得较高的共模抑制能力，需要仔细考虑电桥本身内阻的影响。所述电路应用形式较为简洁，仅需三个固定电阻就可以把电桥输出的差分信号转换为单端信号，不存在电桥本身内阻的影响。这降低了电阻匹配的难度。电阻数量的减少，也减少了电路的噪声源。

图2所示电路为最基本的电路配置，电路的前级运放把电阻变化率转化为电压输出，第二级把电压放大至可以被ADC有效采集的幅度，R8作为调零电位器使用。

在实际应用当中，为了获得更高的测量精度和较低的成本，可以采取一些有用的措施。

如图3所示，所述电路还包括电压基准偏移电路，所述基准偏移电路使用两个串联分压电阻R5、R6产生一个激励电压源的分压点，该分压点连接到一个运放构成的电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端产生一个直流偏压替代原先的参考点，从而使得整个电路可以使用单电源供电。使用单电源供电可以简化电路的设计，降低电路的成本。在图2的电路设计基础上可以给零点输出增加一个人为的偏置。忽略电阻的匹配误差和运放的共模误差，电路的前级输出可表示为：

后级输出可以表示为：

可以取一个稍大于

的电压，通过调节电位器R11使得电路的零点位于。

实施例2：

如图4所示，本发明提供另一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4、参考电阻R1，参考电阻R2，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4的变化方向相反，所述差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4、参考电阻R1，参考电阻R2，运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，其测量点接入运算放大器同相端；参考电阻R1和参考电阻R2构成另一个桥臂，其中一个作为差分式放大电路的反馈电阻，当桥臂比为1时，运算放大器输出完全正比于传感器变化率。

如图4所示，当使用差动传感器R3和R4时，可以得到一种类似于双臂电桥的灵敏度更高的电桥配置形式。

假定桥臂比

，令，则电桥输出可表示为：

当桥臂比取1时，可以得到完全的线性输出

相对于上述单臂的结构形式，这种电桥的灵敏度提高了一倍，且仍然保持了绝对的线性关系。在灵敏度和线性度方面，其性能相当于传统的四臂电桥。由于R3、R4为同种材料制成，其温度系数相同，因此这种配置方式具有天然的温漂抑制优势。

实施例3：

如图5所示，本发明还提供另一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R4、差动电阻传感器R2、参考电阻R3，参考电阻R1，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R4和差动电阻传感器R2的变化方向相反，所述差动电阻传感器R4、差动电阻传感器R2、参考电阻R3，参考电阻R1，运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述参考电阻R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，参考电阻R1和差动电阻传感器R2构成另一个桥臂，两桥臂测量点分别接入差分式放大电路的同相端和反相端。

如图5所示，另外一种双臂电桥形式，其输出为：

这里假定桥臂比，令。

实施例4：

如图6所示，本发明还提供另一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R1、差动电阻传感器R2、差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R1和差动电阻传感器R2的变化方向相反，差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4的变化方向相反，而差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R2的变化方向相同，所述差动电阻传感器R1、差动电阻传感器R2、差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4和运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，其测量点接入运算放大器同相端；差动电阻传感器R1和差动电阻传感器R2构成另一个桥臂，其测量点接入运算放大器反相端。

当使用两对差动电阻传感器时，可以得到类似于四臂电桥的形式，如图6所示配置方式。

假定桥臂比

，

令

。可以推导出电桥的输出表达式：

当桥臂比取1时，上式可以表示为：

与传统全桥相比，灵敏度提高了一倍。由于传感器由同种材料制成，这种电桥具有天然的温漂抑制能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对于第一个实施例电路的所有优选措施，对第二、第三、第四实施例同样使用。这些措施虽然没有在后三种实施电路中列举，但它们之间的任意组合均在保护范围之内。

Claims

1.一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1，电阻传感器R2，直流激励电压源，运算放大器，其特征在于，所述桥臂电阻R3、桥臂电阻R4、桥臂电阻R1、电阻传感器R2和运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，参考桥臂的测量点连接运算放大器的同相端，电阻传感器R2所在桥臂的测量点连接运算放大器的反相端，电阻传感器R2同时作为运算放大器的反馈电阻，运算放大器的输出电压变化量正比于电阻传感器R2的相对变化率。

2.根据权利要求1所述的测量微弱信号的电阻传感器测量电路，其特征在于，还包括后级反相放大电路，所述后级反相放大电路位于电路的输出端，该后级反相放大电路将电阻传感器R2的变化信号进一步放大且使电阻传感器R2变化方向与电路的最终输出变化方向一致。

3.根据权利要求2所述的测量微弱信号的电阻传感器测量电路，其特征在于，还包括调零电路，所述调零电路位于电路的输出端，该调零电路从后级反相放大电路的反相端接入，手动调整调零电路可以使电阻传感器R2无输入时电路输出为0。

4.根据权利要求3所述的测量微弱信号的电阻传感器测量电路，其特征在于，还包括电压基准偏移电路，所述基准偏移电路使用两个串联分压电阻R5、R6产生一个激励电压源的分压点，该分压点连接到一个运放构成的电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端产生一个直流偏压替代原先的参考点，从而使得整个电路可以使用单电源供电。

5.根据权利要求1所述的测量微弱信号的电阻传感器测量电路，其特征在于，还包括模拟数字转化器，该模拟数字转化器的参考电压与电桥激励电压共用一个电压源，或者来自电桥激励电压的分压。

6.根据权利要求1所述的测量微弱信号的电阻传感器测量电路，其特征在于，所述平衡桥臂中的桥臂电阻R3和桥臂电阻R4采用同材质的电阻，且桥臂电阻R1与电阻传感器R2采用同材质的电阻。

7.一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4、参考电阻R1，参考电阻R2，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4的变化方向相反，其特征在于，所述差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4、参考电阻R1，参考电阻R2，运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，其测量点接入运算放大器同相端；参考电阻R1和参考电阻R2构成另一个桥臂，其中一个作为差分式放大电路的反馈电阻，当桥臂比为1时，运算放大器输出完全正比于传感器变化率。

8.一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R4、差动电阻传感器R2、参考电阻R3，参考电阻R1，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R4和差动电阻传感器R2的变化方向相反，其特征在于，所述差动电阻传感器R4、差动电阻传感器R2、参考电阻R3，参考电阻R1，运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述参考电阻R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，参考电阻R1和差动电阻传感器R2构成另一个桥臂，两桥臂测量点分别接入差分式放大电路的同相端和反相端。

9.一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路，包括：差动电阻传感器R1、差动电阻传感器R2、差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4，直流激励电压源，运算放大器，所述差动电阻传感器R1和差动电阻传感器R2的变化方向相反，差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4的变化方向相反，而差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R2的变化方向相同，其特征在于，所述差动电阻传感器R1、差动电阻传感器R2、差动电阻传感器R3、差动电阻传感器R4和运算放大器构成平衡的差分式放大电路结构，所述差动电阻传感器R3和差动电阻传感器R4构成一个桥臂，其测量点接入运算放大器同相端；差动电阻传感器R1和差动电阻传感器R2构成另一个桥臂，其测量点接入运算放大器反相端。