基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计

桥式测量概述

可用的桥式传感器有很多类型，包括应变计、测压元件、压力传感器，以及扭矩传感器。桥式传感器使用无源的电阻网络，即惠斯通电桥。大部分惠斯通电桥式传感器使用电桥的所有四个桥臂作为有源传感元件。然而，普通的应变计包括单桥臂，两桥臂，或四桥臂有源传感器元件，根据相关的四分之一，二分之一或全桥式配置。一些情况下，传感器并不提供全部的电阻，其余构成惠斯通电桥所需的元件必须由测量装置提供。因为电桥式元件是无源的，所以它们需要额外的信号调理来提供激励信号并测量得到激励下的有效输出。

大多数情况下，测量装置提供的激励是以连接到桥式传感器两个节点的电压形式输出的，如图1所示的VEX。然后装置测量一个通过两个节点的输入电压，如图1所示的VCH。一个物理现象，比如一个施加于样品的压力改变，会轻微改变惠斯通电桥传感器元件的电阻。如果VEX保持恒定，任何电阻相对其它电阻的变化将会改变传感器的输出电压。您可以从方程1看出这种关系，通过公式换算可以得出相对电阻变化，由此，物理现象的改变，就可以由VCH / VEX的比值来描述。

惠斯通电桥传感器非常敏感，典型的输出不超过几个mV。传感器的输出直接随激励而变化，因此测量结果一般以mV/V值来表征。分子是传感器的输出电压值（mV），分母是支持激励电压（V）。需要记住的是mV/V是无量纲的两个电压的比值，用于描述构成传感器的相对电阻。很多传感器会明确说明附加单位，允许使用者将输出转化为更有价值的工程单位。例如mV/V/Pa，描述的是传感器每受到一帕斯卡的压力，输出多少毫伏每伏。

桥式测量传感器的常见方案

为精确测量桥式传感器的比值输出，您需要知道输出电压和激励电压。您可以通过使用高精度的电压源或通过测量来确定激励电压的大小。当高精度的电压源被使用时，激励电压就可由唯一的、精确、稳定的电压源得到。另外，电桥的输出测量值必需由软件相应地标定，来得到比值读数。如果电桥阻值保持恒定而激励电压改变，测量桥的输出也会随之改变。这会引起比值测量误差，除非激励电压的变化被测量并且考虑到标度的电桥输出电压中。激励电压源的仔细设计是非常有必要的，以确保激励电压误差的影响最小。

在模拟—数字转换器（ADC）的前端，传统的增益级常常被使用，以选择最佳的输入范围，增益设定一般从1 到 5，000来补偿不同的传感器组合和激励电压。一些测量装置使用相同的方法来测量激励电压用以解决前面所描述的误差。这种方法一般使用开关暂时地断开传感器输入并测量激励。此测量值在软件中再一次使用以标定相应的测量值。

用于桥式测量传感器的NI SC Express方案

NI PXIe-4330桥式输入模块，来自SC Express产品家族，包含能更好地减少激励电压测量的不精确因素的模拟设计。激励电压被模块精确的电路连续读出，并被用于驱动ADC的基准输入。采用这种措施，模块返回一个电桥输出电压和激励电压的比值数据。这种方法连续地，自动地校正了激励电压的精确性误差。NI PXIe-4330使用这种独一无二的、特别为改进比值测量而设计的结构。

请考虑比值方案如何映射前面描述的桥式传感器概念。想象一下一个传感器连接到ADC输入和激励电压输出。现在考虑激励电压的增加。桥式传感器的输出正比于激励电压，所以如果桥式传感器保持恒定，比率并不会改变。测量一个随激励变化的，恒定比值输出的概念，是比值方案的核心。

图2显示了NI PXIe-4330的比值测量结构。独立的读出线路监视激励输出电压并将其回馈到ADC基准输入。远距离的检出输入能够被连接，以直接检测电桥的激励电压，来补偿降低导线电阻敏感度的误差。

NI PXIe-4330含有专为桥式测量优化的硬件设计。因此，模块并不适于纯电压测量。

比值硬件方案的优点

NI公司设计NI PXIe-4330，所使用的比值设计对简化桥式传感器测量具有至关重要的优点。由此而来的结构通过硬件方式，连续读取激励电压并直接标定测量值，排除了对激励电压精确性的依赖。此方案其它的优点如下：

增加了您的测量稳定性。

实际中激励电压变化的情况下，mV/V值保持恒定，增加了测量稳定性。环境中由于温度不同导致的细小变化常常会影响激励电压。因为激励电压被读取并反馈到ADC，任何的变化对测量的精确度和稳定性都无足轻重。此方案也降低了激励设计要求，通过节省空间，增加通道密度，提高了用户的实用性。

易于标定工程单位。

通过使用激励作为ADC的基准源，ADC的输出提供的测量值是以V/V为单位。这样减少了所需标定值的数量，并可以返回更恰当的单位。此外，NI-DAQmx驱动软件包括专用的桥式测量，例如用于应力，拉力，压力，扭力测量的常用通道类型。这样就允许您从DAQ Assistant或 NI DAQmx-API选择最恰当的测量类型。测量值以您选择的物理单位返回，如N， lb， Pa， psi， Nm等。使用最新的通道类型，您可以选择登录两点式，表格或多项式系数，取决于传感器制造商提供的使用说明。结合这些特点，带来一种非常简洁的，用于测量桥式传感器的界面。

能以很高的采样率获取测量值。

因为激励被连续地反馈到ADC，所以不需要使用开关或另外的ADC对此信号进行采样的额外测量时间。这样就允许NI PXIe-4330运行在每通道高达25 kS/s的速度。

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