CN113238602B - 一种不平衡惠斯通电桥装置及其测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡惠斯通电桥装置及其测定方法，目的在于解决在电桥调平过程中，通常需要引入滑动变阻器和电流表，调平速度慢、精度差，且调平装置体积较大，而采用数字电位器代替滑动电位器进行调平，则受数字电位器精度影响的问题。其包括电源、电桥组件、数字电位器、同相放大器、电压跟随器、控制系统；电桥组件包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、数字电位器、第一探针、第二探针，第一探针与第二探针构成检测接口且检测接口能与标准电阻或待测电阻相连，检测接口与第三电阻串联并构成电桥第一臂，第二电阻与第四电阻串联并构成电桥第二臂，电桥第一臂与电桥第二臂并联，所述电桥第一臂的两端、电桥第二臂的两端分别与电源相连。

Description

一种不平衡惠斯通电桥装置及其测定方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体为一种不平衡惠斯通电桥装置及其测定方法。

背景技术

惠斯通电桥结构简单，准确度及灵敏度都较高，因而在医学诊断、称重和检测仪器方面有着广泛的应用。惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路；根据可变桥臂数量的不同，惠斯通电桥可分为单臂、双臂和全桥三种。为便于测量或安装，一般采用单臂电桥，即其余三个电阻恒定，一个电阻可变。根据欧姆定律，当电桥电压不变时，可变电阻发生变化时，电桥两端电压也相应变化。通过检测电桥的输出电压，并进行一定计算，则可以计算出对应的电阻变化率。

一般来说，惠斯通电桥采集到的电压变化十分微弱，因此需要进行电压放大。通常利用仪表放大器与反馈电阻构成同相放大器，来实现对微弱信号的放大，然后利用ADC(Analog to Digital Converter，模拟数字转换器)进行模数转换后解析和处理。由于制造工艺的影响，应变片的初始电阻值一般会与理想值误差较大，导致惠斯通电桥两端电压不为0，如果再通过ADC进行放大后，往往会直接超过ADC量程，无法得到真实的应变值。

图1给出了惠斯通电桥及其放大电路原理图。如图1所示，第一电阻R1和第三R3构成电桥Ⅰ臂，第二电阻R2与第四R4构成电桥Ⅱ臂。当4个电阻阻值一致时，电桥Ⅱ臂电压差为0，运放输出电压值为电桥电压值一半。在实际应用中，电阻应变片误差可以达到2％。假设R1电阻值小于标准电阻，则输出电压值计算式为

当R1＝119欧姆时，R3＝120Ω，R7＝10Ω，R8＝49.9kΩ，VDC1＝2.5V，VDC2＝3.3V，理论输出电压为-24.85V，而单电源运放只能测量0-VDC2范围电压，因此无法得到真实电压值。

为解决由于电桥不平衡所导致的采集电压超量程现象，一般会通过滑动电阻器使得电桥平衡。当电桥平衡时，电桥I臂和电桥Ⅱ臂中心点电压差为0。在电桥调平过程中，需要接入电流表进行测试，当无电流通过时，则表示电桥平衡。但此电桥调平方法需要引入滑动变阻器和电流表，人工调平速度缓慢，精度差，且调节装置体积较大，不利于设备小型化。为解决上述问题，可以将滑动电位器用数字电位器进行代替，但调平的精度会受到数字电位器精度的影响，导致精度较差。

为此，迫切需要一种新的装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对在电桥调平过程中，通常需要引入滑动变阻器和电流表，调平速度慢、精度差，且调平装置体积较大，而采用数字电位器代替滑动电位器进行调平，则受数字电位器精度影响的问题，提供一种不平衡惠斯通电桥装置及其测定方法。本申请能有效解决现有惠斯通电桥调平困难，或者精度有限的问题，具有较高的实用价值。同时，基于全新的不平衡惠斯通电桥装置，发明人提供了一种新的测定方法，其能极大提升电路的测试精度，具有较好的应用前景。

为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种不平衡惠斯通电桥装置，包括电源、电桥组件、数字电位器、同相放大器、电压跟随器、与电源相连的控制系统；

电桥组件包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、数字电位器、第一探针、第二探针，第一探针与第二探针构成检测接口且检测接口能与标准电阻或待测电阻相连，检测接口与第三电阻串联并构成电桥第一臂，第二电阻与第四电阻串联并构成电桥第二臂，电桥第一臂与电桥第二臂并联，所述电桥第一臂的两端、电桥第二臂的两端分别与电源相连；

所述数字电位器包括供电接口、通讯接口、第一引脚、与数字电位器内滑动点相连的第二引脚、第三引脚，所述供电接口与电源相连，所述通讯接口用于与控制系统相连，所述第一引脚与第二探针相连，第二引脚接地，第三引脚与电桥第二臂相连且第三引脚与电桥第二臂的连接点位于第二电阻与第四电阻相连的导线上；

同相放大器的正极与电桥第二臂相连且同相放大器的正极与电桥第二臂的连接点位于第二电阻与第四电阻相连的导线上，同相放大器的负极与电桥第一臂相连且同相放大器的负极与电桥第一臂的连接点位于第三电阻与第二探针相连的导线上，同相放大器的负极与电桥第一臂相连的导线上设置有第七电阻；

同相放大器的负极与同相放大器的输出端相连且同相放大器的负极与同相放大器的输出端相连的导线上设置有第八电阻；

同相放大器的输出端与电压跟随器的正极相连，所述电压跟随器的负极与电压跟随器的输出端相连；

所述控制系统包括：

通信模块，其与数字电位器相连，用于控制数字电位器内滑动点的位置；

模拟数字转换模块，其与电压跟随器的输出端相连，用于进行电压采集；

信号传输模块，其与模拟数字转换模块相连，用于实现信号的输出和输入。

所述电桥组件还包括标准电阻。

所述电源包括惠斯通电桥电源部分、第二电源部分，所述惠斯通电桥电源部分与电桥组件相连且惠斯通电桥电源部分能为电桥组件供电；

所述第二电源部分分别与同相放大器、电压跟随器、控制系统相连且第二电源部分能为同相放大器、电压跟随器、控制系统供电；

所述控制系统还包括：

开关控制模块，其与惠斯通电桥电源部分相连，用于对惠斯通电桥电源部分进行开闭控制，以降低不平衡惠斯通电桥装置的能耗。

还包括与信号传输模块相配合的信号接收器。

所述第八电阻的阻值大于第七电阻的阻值。

一种不平衡惠斯通电桥测定方法，包括如下步骤：

(1)调平

将标准电阻与检测接口相连；而后，控制系统通过其内的模拟数字转换模块采集电压跟随器输出端电压V3；通过控制系统调节数字电位器的比值K，至电压跟随器输出端电压V3为电桥组件两端电源电压VDC1的0.3～0.7倍，并通过如下公式(1)计算数字电位器的总阻值RT：

其中，R5＝RT*K；R6＝RT*(1-K)，RT为数字电位器总值，K为数字电位器滑动点与数字电位器第一引脚阻值与数字电位器总阻值的比例系数，该值通过数字电位器的通讯接口调整；

R2、R3、R4、R7、R8依次对应为第二电阻、第三电阻、第四电阻、第七电阻、第八电阻的阻值；在调平时，R1为标准电阻阻值；

(2)测定

待步骤(1)完成后，将标准电阻取下，将待测电阻与检测接口相连；而后，控制系统通过其内的模拟数字转换模块采集电压跟随器输出端电压V3'；

再将V3'替换步骤(1)中的V3，并带入公式(1)中，得到待测电阻的阻值。

所述步骤1中，进行调平时，R1、R2、R3、R4的阻值相等。

所述步骤1中，进行调平时，通过控制系统调节数字电位器的比值K，至电压跟随器输出端电压V3接近电桥组件两端电源电压VDC1的1/2。

所述步骤2中，在对待测电阻进行测定时，K值与步骤(1)调平后结果保持一致。

所述步骤2中，用待测电阻替换标准电阻后，待测电阻与检测接口相连，待测电阻的阻值R1'未知；第二电阻、第三电阻、第四电阻、第七电阻、第八电阻的阻值已知，数字电位器的比值K已知，电压跟随器输出端电压V3'为连接待测电阻后的电压，再通过公式(1)，即可得到待测电阻R1'的阻值。

综上，本发明提供了一种不平衡惠斯通电桥装置及其测定方法，该装置无需进行手动调平，在调平时，使得通过运算放大器的放大电压不超过指定量程即可。在调平时，本发明利用精密电阻代替应变片，并基于相应的平衡公式，反求出数字电位器真实阻值，可以消除数字电位器制造工艺产生的误差，提高惠斯通电桥精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为惠斯通电桥及其放大电路原理图。

图2为实施例1中改进的不平衡惠斯通电桥及其放大电路原理图。

图3为实施例1中调平时的不平衡惠斯通电桥装置仿真结果图。

图4为实施例1中待测电阻实物图(具体为120Ω电阻应变片实物图)。

图5为实施例1中测定时的不平衡惠斯通电桥装置仿真结果图。

图中标记：VDC1为惠斯通电桥电源部分，VDC2为第二电源部分，U1为同相放大器，U2为电压跟随器，U3为数字电位器，U4为机械式电位器，R2为第二电阻，R3为第三电阻，R4为第四电阻，R7为第七电阻，R8为第八电阻，CPU为带ADC功能的控制系统，P1为检测接口，Z1为第一探针，Z2为第二探针，1为第一引脚，2为第二引脚，3为第三引脚。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例提供一种不平衡惠斯通电桥装置，其包括电源、电桥组件、数字电位器、同相放大器、电压跟随器、控制系统。

其中，电桥组件包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、数字电位器、第一探针、第二探针，第一探针与第二探针构成检测接口，且检测接口能与标准电阻或待测电阻相连。本实施例中，检测接口与第三电阻串联并构成电桥第一臂，第二电阻与第四电阻串联并构成电桥第二臂，电桥第一臂与电桥第二臂并联，电桥第一臂的两端、电桥第二臂的两端分别与电源相连。

数字电位器包括供电接口、通讯接口、第一引脚、与数字电位器内滑动点相连的第二引脚、第三引脚，供电接口与电源相连，通讯接口用于与控制系统相连，第一引脚与第二探针相连，第二引脚接地，第三引脚与电桥第二臂相连且第三引脚与电桥第二臂的连接点位于第二电阻与第四电阻相连的导线上。

同相放大器的正极与电桥第二臂相连，且同相放大器的正极与电桥第二臂的连接点位于第二电阻与第四电阻相连的导线上。同相放大器的负极与电桥第一臂相连，且同相放大器的负极与电桥第一臂的连接点位于第三电阻与第二探针相连的导线上，同相放大器的负极与电桥第一臂相连的导线上设置有第七电阻。

同相放大器的负极与同相放大器的输出端相连，且同相放大器的负极与同相放大器的输出端相连的导线上设置有第八电阻。其中，第八电阻的阻值大于第七电阻的阻值。同相放大器的输出端与电压跟随器的正极相连，电压跟随器的负极与电压跟随器的输出端相连。

本实施例中，控制系统与电源相连。同时，控制系统包括：通信模块，其与数字电位器相连，用于控制数字电位器内滑动点的位置；模拟数字转换模块，其与电压跟随器的输出端相连，用于进行电压采集；信号传输模块，其与模拟数字转换模块相连，用于实现信号的输出和输入。

进一步，为了降低不平衡惠斯通电桥装置的能耗，本实施例的电源包括惠斯通电桥电源部分、第二电源部分。其中，惠斯通电桥电源部分与电桥组件相连，且惠斯通电桥电源部分能为电桥组件供电；第二电源部分分别与同相放大器、电压跟随器、控制系统相连，且第二电源部分能为同相放大器、电压跟随器、控制系统供电；控制系统还包括：开关控制模块，其与惠斯通电桥电源部分相连，用于对惠斯通电桥电源部分进行开闭控制，以降低不平衡惠斯通电桥装置的能耗。该方式中，电桥组件供电采用单独控制的方式；在未进行调平或测定时，开关控制模块关闭电桥组件电源；在进行调平或测定时，再向电桥组件供电；该方式可大幅降低本申请的能耗，延长设备的工作时间。

进一步，本实施例提供基于前述不平衡惠斯通电桥装置的测定方法，其包括如下步骤。

(1)调平

调平总体过程如下：调平前，先将检测接口的第一探针与第二探针之间连接标准电阻；采集输出电压值V3，调整参数K，使得输出电压值处于1/2VDC1附近，记录此时K值，将K值带入式(2)中，并反求得出真实的数字电位器总阻值RT。

具体地，将标准电阻与检测接口相连。而后，控制系统通过其内的模拟数字转换模块采集电压跟随器的输出端电压V3；并通过控制系统调节数字电位器的比值K，至电压跟随器的输出端电压V3接近电桥组件两端电源电压VDC1的1/2处。

通过如下公式计算数字电位器的总阻值RT：

式(1)中，R5＝RT*K；R6＝RT*(1-K)，RT为数字电位器总值，K为数字电位器滑动点与数字电位器第一引脚阻值与数字电位器总阻值的比例系数，该值通过通讯接口进行调整。R2、R3、R4、R7、R8依次对应为第二电阻、第三电阻、第四电阻、第七电阻、第八电阻的阻值；在调平时，R1为标准电阻的阻值。

本实施例中，VDC1为惠斯通电桥电源部分电压值，R1为引入的标准电阻，R2、R3、R4、R7、R8皆为板载高精度电阻。

为减少未知参数，使R1、R2、R3、R4的阻值相等。本实施例中，令R1＝R2＝R3＝R4＝120Ω，R7＝10Ω，R8＝49.9kΩ(即49900Ω)，VDC1＝2.5V，则公式(1)可以改写为：

对式(2)求反函数，可得：

令输出电压VDC1＝1.68V，带入式(3)，可得数字电位器真实值为49791Ω。使用Multisim仿真分结果如图3所示，在数字电位器总阻值为49791Ω，K＝0.45时，输出电压为1.682V，与逆推给出的真实值1.68V相差0.002V，证明调平的可行性。

(2)测定

测定总体过程如下：将检测接口的第一探针与第二探针连接待测的应变片两端，待测的应变片如图4所示；数字电位器K值与调平后结果保持不变，采集电压跟随器输出电压V3'，反求出待测电阻R1'的真实阻值。

具体地，待步骤(1)完成后，将标准电阻取下，将待测电阻与检测接口相连。而后，控制系统通过其内的模拟数字转换模块采集电压跟随器输出端电压V3'。再将V3替换为V3'，并带入公式中，得到待测电阻R1'的阻值。为简化计算，所述步骤(2)中，在对待测电阻进行测定时，K值与调平后结果保持一致。

实验验证：K＝0.45，并假定待测电阻R1'的真实值为R1'＝120.1Ω，数字电位器真实值RT＝49791Ω，利用式(1)可得真实值为2.0517V，使用Multisim仿真分结果为2.053V，如图5所示，其计算值与仿真值误差为0.000634，误差小于1‰，满足常用精度要求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种不平衡惠斯通电桥装置，其特征在于，包括电源、电桥组件、数字电位器、同相放大器、电压跟随器、与电源相连的控制系统；

电桥组件包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、数字电位器、第一探针、第二探针、标准电阻，第一探针与第二探针构成检测接口且检测接口能与标准电阻或待测电阻相连，检测接口与第三电阻串联并构成电桥第一臂，第二电阻与第四电阻串联并构成电桥第二臂，电桥第一臂与电桥第二臂并联，所述电桥第一臂的两端、电桥第二臂的两端分别与电源相连；

所述数字电位器包括供电接口、通讯接口、第一引脚、与数字电位器内滑动点相连的第二引脚、第三引脚，所述供电接口与电源相连，所述通讯接口用于与控制系统相连，所述第一引脚与第二探针相连，第二引脚接地，第三引脚与电桥第二臂相连且第三引脚与电桥第二臂的连接点位于第二电阻与第四电阻相连的导线上；

同相放大器的正极与电桥第二臂相连且同相放大器的正极与电桥第二臂的连接点位于第二电阻与第四电阻相连的导线上，同相放大器的负极与电桥第一臂相连且同相放大器的负极与电桥第一臂的连接点位于第三电阻与第二探针相连的导线上，同相放大器的负极与电桥第一臂相连的导线上设置有第七电阻；

同相放大器的负极与同相放大器的输出端相连且同相放大器的负极与同相放大器的输出端相连的导线上设置有第八电阻；

同相放大器的输出端与电压跟随器的正极相连，所述电压跟随器的负极与电压跟随器的输出端相连；

所述控制系统包括：

通信模块，其与数字电位器相连，用于控制数字电位器内滑动点的位置；

模拟数字转换模块，其与电压跟随器的输出端相连，用于进行电压采集；

信号传输模块，其与模拟数字转换模块相连，用于实现信号的输出和输入。

2.根据权利要求1所述不平衡惠斯通电桥装置，其特征在于，所述电源包括惠斯通电桥电源部分、第二电源部分，所述惠斯通电桥电源部分与电桥组件相连且惠斯通电桥电源部分能为电桥组件供电；

所述第二电源部分分别与同相放大器、电压跟随器、控制系统相连且第二电源部分能为同相放大器、电压跟随器、控制系统供电；

所述控制系统还包括：

开关控制模块，其与惠斯通电桥电源部分相连，用于对惠斯通电桥电源部分进行开闭控制。

3.根据权利要求1所述不平衡惠斯通电桥装置，其特征在于，还包括与信号传输模块相配合的信号接收器。

4.根据权利要求1所述不平衡惠斯通电桥装置，其特征在于，所述第八电阻的阻值大于第七电阻的阻值。

5.前述权利要求1~4任一项所述不平衡惠斯通电桥装置的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）调平

将标准电阻与检测接口相连；而后，控制系统通过其内的模拟数字转换模块采集电压跟随器输出端电压V3；通过控制系统调节数字电位器的比值K，至电压跟随器输出端电压V3为电桥组件两端电源电压VDC1的0.3~0.7倍，并通过如下公式（1）计算数字电位器的总阻值RT：

（1），

其中，R5=RT*K；R6= RT*(1-K)，RT为数字电位器的总阻值；

R2、R3、R4、R7、R8依次对应为第二电阻、第三电阻、第四电阻、第七电阻、第八电阻的阻值；在调平时，R1为标准电阻阻值；

（2）测定

待步骤（1）完成后，将标准电阻取下，将待测电阻与检测接口相连；而后，控制系统通过其内的模拟数字转换模块采集电压跟随器输出端电压V3'；

再将V3'替换步骤（1）中的V3，并带入公式（1）中，得到待测电阻R1'的阻值。

6.根据权利要求5所述的测定方法，其特征在于，所述步骤（1）中，进行调平时，R1、R2、R3、R4的阻值相等。

7.根据权利要求5所述的测定方法，其特征在于，所述步骤（1）中，进行调平时，通过控制系统调节数字电位器的比值K，至电压跟随器输出端电压V3接近电桥组件两端电源电压VDC1的1/2。

8.根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于，所述步骤（2）中，在对待测电阻进行测定时，K值与步骤（1）调平后结果保持一致。

Images