電阻電橋基礎知識介紹

2020-11-24 電子產品世界

概述

　　本文第一部分，應用筆記3426主要論述了為什麼要使用電阻電橋，電橋的基本配置，以及一些具有小信號輸出的電橋，例如粘貼絲式或金屬箔應變計。本篇應用筆記則側重於高輸出的矽應變計。本篇應用筆記作為第二部分，重點介紹高輸出的矽應變計，以及它與高解析度Σ-Δ模數轉換器良好的適配性。舉例說明了如何為給定的非補償傳感器計算所需ADC的解析度和動態範圍。本文演示了在構建一個簡單的比例電路時，如何確定ADC和矽應變計的特性，並給出了一個採用電流驅動傳感器的簡化應用電路。
矽應變計的背景知識

　　矽應變計的優點在於高靈敏度。矽材料中的應力引起體電阻的變化。相比那些僅靠電阻的尺寸變化引起電阻變化的金屬箔或粘貼絲式應變計，其輸出通常要大一個數量級。這種矽應變計的輸出信號大，可以與較廉價的電子器件配套使用。但是，這些小而脆的器件的安裝和連線非常困難，並增加了成本，因而限制了它們在粘貼式應變計應用中的使用。然而，矽應變計卻是MEMS (微機電結構)應用的最佳選擇。利用MEMS，可將機械結構建立在矽片上，多個應變計可以作為機械構造的一部分一起製造。因此，MEMS工藝為整個設計問題提供了一個強大的、低成本的解決方案，而不需要單獨處理每個應變計。

　　MEMS器件最常見的一個實例是矽壓力傳感器，它是從上個世紀七十年代開始流行的。這些壓力傳感器採用標準的半導體工藝和特殊的蝕刻技術製作而成。採用這種特殊的蝕刻技術，從晶圓片的背面選擇性地除去一部分矽，從而生成由堅固的矽邊框包圍的、數以百計的方形薄片。而在晶片的正面，每一個小薄片的每個邊上都製作了一個壓敏電阻。用金屬線把每個小薄片周邊的四個電阻連接起來就形成一個全橋工作的惠斯登電橋。然後使用鑽鋸從晶片上鋸下各個傳感器。這時，傳感器功能就完全具備了，但還需要配備壓力埠和連接引線方可使用。這些小傳感器便宜而且相對可靠。但也存在缺點。這些傳感器受溫度變化影響較大，而且初始偏移和靈敏度的偏差很大。

壓力傳感器實例

　　在此用一個壓力傳感器來舉例說明。但所涉及的原理適用於任何使用相似類型的電橋作為傳感器的系統。式1給出了一個原始的壓力傳感器的輸出模型。式1中變量的幅值及其範圍使VOUT在給定壓力(P)下具有很寬的變化範圍。不同傳感器在同一溫度下，或者同一傳感器在不同溫度下，其VOUT都有所不同。要提供一個一致的、有意義的輸出，每個傳感器都必須進行校正，以補償器件之間的差異和溫度漂移。長期以來都是使用模擬電路進行校準的。然而，現代電子學使得數字校準比模擬校準更具成本效益，而且數字校準的準確性也更好。利用一些模擬「竅門」，可以在不犧牲精度的前提下簡化數字校準。

　　式1: VOUT = VB x (P x S0 x (1 + S1 x (T - T0)) + U0 + U1 x (T - T0))

　　式中，VOUT為電橋輸出，VB是電橋的激勵電壓，P是所加的壓力，T0是參考溫度，S0是T0溫度下的靈敏度，S1是靈敏度的溫度係數(TCS)，U0 是在無壓力時電橋在溫度T0輸出的偏移量(或失衡)，而U1則是偏移量的溫度係數(OTC)。式1使用一次多項式來對傳感器進行建模。有些應用場合可能會用到高次多項式、分段線性技術、或者分段二次逼近模型，並為其中的係數建立一個查尋表。無論使用哪種模型，數字校準時都要對VOUT、VB、和T進行數位化，同時要採用某種方式來確定全部係數，並進行必要的計算。式2由式1整理並解出P。從式2可以更清楚地看到，為了得到精確的壓力值，數字計算(通常由微控制器(μC)執行)所需的信息。

　　式2： P = (VOUT / VB - U0 - U1 x (T-T0)) / (S0 x (1 + S1 x (T-T0))

電壓驅動

　　圖1電路中的電壓驅動方式使用一個高精度ADC來對VOUT (AIN1/AIN2)、溫度(AIN3/AIN4)和VB (AIN5/AIN6)進行數位化。這些測量值隨後被傳送到μC，在那裡計算實際的壓力。電橋直接由電源驅動，這個電源同時也為ADC、電壓基準和μC供電。電路圖中標有Rt的電阻式溫度檢測器用來測量溫度。通過ADC內的輸入復用器同時測量電橋、RTD和電源電壓。為確定校準係數，整個系統(或至少是 RTD和電橋)被放到溫箱裡，向電橋施加校準過的壓力，並在多個不同溫度下進行測量。測量數據通過測試系統進行處理，以確定校準係數。最終的係數被下載到 μC並存儲到非易失性存儲器中。

　　圖1該電路直接測量計算實際壓力所需的變量(激勵電壓、溫度和電橋輸出)

　　設計該電路時主要應考慮的是動態範圍和ADC的解析度。最低要求取決於具體應用和所選的傳感器和RTD的參數。為了舉例說明，使用下列參數：

系統規格

　　滿量程壓力：100psi

　　壓力解析度：0.05psi

　　溫度範圍：-40

相關焦點

  • 【基礎】電阻電橋(惠斯通電橋)分析及應用
    惠斯通電橋是由四個電阻組成的電橋電路，這四個電阻分別叫做電橋的橋臂，惠斯通電橋利用電阻的變化來測量物理量的變化
  • 電子設計基礎:電阻電橋基礎(一)
    注意：本文分兩部分，第一部分回顧了基本的電橋架構，並將重點放在低輸出信號的電橋電路，比如導線或金屬箔應變計。第二部分， 「電阻電橋基礎（二）」介紹使用矽應變儀的高輸出信號電橋。　　基本的電橋配置　　圖1是基本的惠斯通電橋，圖中電橋輸出Vo是Vo+和Vo-之間的差分電壓。
  • 電阻電橋基礎:第一部分
    本文分析了電橋電路受歡迎的原因，並討論在測量電橋輸出時的一些關鍵因素。注意：本文分兩部分，第一部分回顧了基本的電橋架構，並將重點放在低輸出信號的電橋電路，比如導線或金屬箔應變計。第二部分，應用筆記3545介紹使用矽應變儀的高輸出信號電橋。
  • 【E課堂】電子設計基礎:電阻電橋基礎(一)
    本文講述電橋電路的基礎並演示如何在實際環境中利用電橋電路進行精確測量，文章詳細介紹了電橋電路應用中的一些關鍵問題，比如噪聲、失調電壓和失調電壓漂移、共模電壓以及激勵電壓。　　注意：本文分兩部分，第一部分回顧了基本的電橋架構，並將重點放在低輸出信號的電橋電路，比如導線或金屬箔應變計。第二部分，「電阻電橋基礎(二)」介紹使用矽應變儀的高輸出信號電橋。　　基本的電橋配置　　圖1是基本的惠斯通電橋，圖中電橋輸出Vo是Vo+和Vo-之間的差分電壓。使用傳感器時，隨著待測參數的不同，一個或多個電阻的阻值會發生改變。
  • 電阻電橋(惠斯通電橋)分析及應用
    電阻橋定義解釋　　惠斯通電橋是由四個電阻組成的電橋電路，這四個電阻分別叫做電橋的橋臂，惠斯通電橋利用電阻的變化來測量物理量的變化，單片機採集可變電阻兩端的電壓然後處理，就可以計算出相應的物理量的變化，是一種精度很高的測量方式。其電路形式如下圖所示。
  • 電橋測量的基礎知識
    電橋是精密測量電阻或其他模擬量的一種有效的方法。本文介紹了如何實現具有較大信號輸出的矽應變計與模數轉換器(ADC)的接口，特別是Σ-Δ ADC，當使用矽應變計時，它是一種實現壓力變送器的低成本方案本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/185611.htm矽應變計矽應變計的優點在於高靈敏度，它通過感應由應力引發的矽材料體電阻變化來檢測壓力。
  • 【技術文章】電阻電橋(惠斯通電橋)分析及應用
    電阻橋定義解釋惠斯通電橋是由四個電阻組成的電橋電路，這四個電阻分別叫做電橋的橋臂，惠斯通電橋利用電阻的變化來測量物理量的變化，單片機採集可變電阻兩端的電壓然後處理，就可以計算出相應的物理量的變化，是一種精度很高的測量方式。其電路形式如下圖所示。
  • 惠斯通電橋的測量原理_惠斯通電橋原理是怎樣測電阻的
    （又稱單臂電橋）是一種可以精確測量電阻的儀器。R保護為較大的可變電阻，在電橋不平衡時取最大電阻作限流作用以保護檢流計；當電橋接近平衡時取最小值以提高檢流計的靈敏度。限流電阻用於限制電流的大小，主要目的在於保護檢流計和改變電橋靈敏度。 　　電源接通時，電橋線路中各支路均有電流通過。
  • 實驗三 惠斯通電橋測量電阻
    一、實驗目的學會識別電阻的串並聯關係；了解和認識惠斯通電橋電路，並掌握電橋平衡條件；掌握用惠斯通電橋測量電阻的方法
  • 電橋測量基礎
    電橋是精密測量電阻或其他模擬量的一種有效的方法。本文介紹了如何實現具有較大信號輸出的矽應變計與模數轉換器(ADC)的接口，特別是Σ-Δ ADC，當使用矽應變計時，它是一種實現壓力變送器的低成本方案本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/193826.htm矽應變計矽應變計的優點在於高靈敏度，它通過感應由應力引發的矽材料體電阻變化來檢測壓力。
  • 詳解用非平衡電橋如何測量電阻
    電橋按測量方式可分為平衡電橋和非平衡電橋。雖然它們都可以準確地測量電阻，但平衡電橋只能用於測量相對穩定的電阻值，而非平衡電橋能用於測量連續變化的電阻值。2）輸出對稱電橋，也稱臥式電橋這時電橋的橋臂電阻對稱於輸出端，即R1=R3=R ，R2=R4=R′。且R≠R′。3）電源對稱電橋，也稱為立式電橋這時從電橋的電源端看橋臂電阻對稱，即R1=R2=R′，R3=R4=R，且R≠R′。
  • 電阻、電容、電感的知識以及如何選用LCR電橋
    電阻、電容、電感的知識以及如何選用LCR電橋無源元件電阻、電容、電感是最常被設計工程師所用的元器件，但真正了解L、C、R知識的人不一定很多，根據臺灣專業人士葉正賢先生的經驗，在此向各位從事設計、維修等技術的工程師淺談LCR基本知識。
  • 電橋測量基礎(圖)
    電橋是精密測量電阻或其他模擬量的一種有效的方法。本文介紹了如何實現具有較大信號輸出的矽應變計與模數轉換器(ADC)的接口，特別是Σ-Δ ADC，當使用矽應變計時，它是一種實現壓力變送器的低成本方案 矽應變計 矽應變計的優點在於高靈敏度，它通過感應由應力引發的矽材料體電阻變化來檢測壓力。相比於金屬箔或粘貼絲式應變計，其輸出通常要大一個數量級。
  • 三線制熱電阻是如何在惠斯通電橋內工作的?
    惠斯通電橋（又稱單臂電橋）是一種可以精確測量電阻的儀器。通用的惠斯通電橋電阻R1，R2，R3，R4叫做電橋的四個臂，G為檢流計，用以檢查它所在的支路有無電流。當G無電流通過時，稱電橋達到平衡。平衡時，四個臂的阻值滿足一個簡單的關係，利用這一關係就可測量電阻。
  • 【基礎】惠斯頓電橋原理及使用方法
    電阻R1，R2，R3，R4叫做電橋的四個臂，G為檢流計，用以檢查它所在的支路有無電流。當G無電流通過時，稱電橋達到平衡。平衡時，四個臂的阻值 滿足一個簡單的關係，利用這一關係就可測量電阻。因而有 I1R1=I2R2;個阻值已知，便可求得第四個電阻。測量時，選擇適當的電阻作為R1和R2，用一個可變電阻作為R3，令被測電阻充當R4，調節R3使 電橋平衡，電阻而且可利用高靈敏度的檢流計來測零，故用電橋測電阻比用歐姆表分條件。電橋不平衡時，G的電流IG與R1，R2，R3，R4有關。利用這一 關係也可根據IG及三個臂的電阻值求得第四個臂的阻值，因此不平衡電橋原則上也可測量電阻。
  • GT6105 雙臂電橋測量低電阻實驗儀應用
    為避免附加電阻的影響,本實驗引入了四端引線法,組成了雙臂電橋(又稱為開爾文電橋),是一種常用的測量低電阻的方法,已廣泛的應用於科技測量中. 2、雙臂電橋測量低電阻 用惠斯頓電橋測量電阻,測出的RX值中,實際上含有接線電阻和接觸電阻(統稱為Rj)的成分(一般為10-3~10-4Ω數量級),通常可以不考慮Rj的影響,而當被測電阻達到較小值(如幾十歐姆以下)時,Rj所佔的比重就明顯了.
  • 電阻應變片直流電橋測量電路攻略
    而該測量系統中電阻應變片直流電橋測量電路的設計是一 個關鍵，下面我們將對這一部分進行詳細的分析和設計。　　電阻應變片直流電橋測量電路　　應變片調理電路由升壓晶片(為晶片提供工作電壓)、電壓基準(穩壓)、電橋、濾波、放大等部分 組成，如圖2 所示。
  • 電阻應變片直流電橋測量電路的攻略
    而該測量系統中電阻應變片直流電橋測量電路的設計是一 個關鍵，下面我們將對這一部分進行詳細的分析和設計。　　電阻應變片直流電橋測量電路　　應變片調理電路由升壓晶片(為晶片提供工作電壓)、電壓基準(穩壓)、電橋、濾波、放大等部分 組成，如圖2 所示。
  • lcr數字電橋工作原理及使用方法_lcr數字電橋作用介紹
    數字電橋的概念 　　數字電橋就是能夠測量電感，電容，電阻，阻抗的儀器，這是一個傳統習慣的說法，最早的阻抗測量用的是真正的電橋方法，隨著現代模擬和數位技術的發展，早已經淘汰了這種測量方法，但LCR電橋的叫法一直沿用至今。如果是使用了微處理器的LCR電橋則叫LCR數字電橋。
  • 直流電橋的平衡條件
    直流電橋 　　直流電橋，是指測量直流電阻或其變化量的電橋。直流電橋是以惠斯登電橋線路為基礎，用精密合金繞線電阻為基準的更新換代產品。數字直流電具有數字萬用表同樣簡便、快速、醒目的特點，還保持了惠斯登電橋準確、穩定、可靠的優點。