使用比值方案的橋式測量傳感器

橋式測量概述

可用的橋式傳感器有很多類型，包括應(yīng)變計、測壓元件、壓力傳感器，以及扭矩傳感器。橋式傳感器使用無源的電阻網(wǎng)絡(luò)，即惠斯通電橋。大部分惠斯通電橋式傳感器使用電橋的所有四個橋臂作為有源傳感元件。然而，普通的應(yīng)變計包括單橋臂，兩橋臂，或四橋臂有源傳感器元件，根據(jù)相關(guān)的四分之一，二分之一或全橋式配置。一些情況下，傳感器并不提供全部的電阻，其余構(gòu)成惠斯通電橋所需的元件必須由測量裝置提供。因?yàn)殡姌蚴皆菬o源的，所以它們需要額外的信號調(diào)理來提供激勵信號并測量得到激勵下的有效輸出。

圖1. 惠斯通電橋廣泛用于測量張力，載荷，壓力以及扭力.

大多數(shù)情況下，測量裝置提供的激勵是以連接到橋式傳感器兩個節(jié)點(diǎn)的電壓形式輸出的，如圖1所示的V_EX。然后裝置測量一個通過兩個節(jié)點(diǎn)的輸入電壓，如圖1所示的V_CH。一個物理現(xiàn)象，比如一個施加于樣品的壓力改變，會輕微改變惠斯通電橋傳感器元件的電阻。如果V_EX保持恒定，任何電阻相對其它電阻的變化將會改變傳感器的輸出電壓。您可以從方程1看出這種關(guān)系，通過公式換算可以得出相對電阻變化，由此，物理現(xiàn)象的改變，就可以由V_CH / V_EX的比值來描述。

(方程 1)

惠斯通電橋傳感器非常敏感，典型的輸出不超過幾個mV。傳感器的輸出直接隨激勵而變化，因此測量結(jié)果一般以mV/V值來表征。分子是傳感器的輸出電壓值(mV)，分母是支持激勵電壓(V)。需要記住的是mV/V是無量綱的兩個電壓的比值，用于描述構(gòu)成傳感器的相對電阻。很多傳感器會明確說明附加單位，允許使用者將輸出轉(zhuǎn)化為更有價值的工程單位。例如mV/V/Pa，描述的是傳感器每受到一帕斯卡的壓力，輸出多少毫伏每伏。

橋式測量傳感器的常見方案

為精確測量橋式傳感器的比值輸出，您需要知道輸出電壓和激勵電壓。您可以通過使用高精度的電壓源或通過測量來確定激勵電壓的大小。當(dāng)高精度的電壓源被使用時，激勵電壓就可由唯一的、精確、穩(wěn)定的電壓源得到。另外，電橋的輸出測量值必需由軟件相應(yīng)地標(biāo)定，來得到比值讀數(shù)。如果電橋阻值保持恒定而激勵電壓改變，測量橋的輸出也會隨之改變。這會引起比值測量誤差，除非激勵電壓的變化被測量并且考慮到標(biāo)度的電橋輸出電壓中。激勵電壓源的仔細(xì)設(shè)計是非常有必要的，以確保激勵電壓誤差的影響最小。

在模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的前端，傳統(tǒng)的增益級常常被使用，以選擇最佳的輸入范圍，增益設(shè)定一般從1 到 5,000來補(bǔ)償不同的傳感器組合和激勵電壓。一些測量裝置使用相同的方法來測量激勵電壓用以解決前面所描述的誤差。這種方法一般使用開關(guān)暫時地斷開傳感器輸入并測量激勵。此測量值在軟件中再一次使用以標(biāo)定相應(yīng)的測量值。

用于橋式測量傳感器的NI SC Express方案

NI PXIe-4330橋式輸入模塊，來自SC Express產(chǎn)品家族，包含能更好地減少激勵電壓測量的不精確因素的模擬設(shè)計。激勵電壓被模塊精確的電路連續(xù)讀出，并被用于驅(qū)動ADC的基準(zhǔn)輸入。采用這種措施，模塊返回一個電橋輸出電壓和激勵電壓的比值數(shù)據(jù)。這種方法連續(xù)地，自動地校正了激勵電壓的精確性誤差。NI PXIe-4330使用這種獨(dú)一無二的、特別為改進(jìn)比值測量而設(shè)計的結(jié)構(gòu)。

請考慮比值方案如何映射前面描述的橋式傳感器概念。想象一下一個傳感器連接到ADC輸入和激勵電壓輸出?，F(xiàn)在考慮激勵電壓的增加。橋式傳感器的輸出正比于激勵電壓，所以如果橋式傳感器保持恒定，比率并不會改變。測量一個隨激勵變化的，恒定比值輸出的概念，是比值方案的核心。

圖2. NI PXIe-4330涉及來自 ADC的激勵電壓.

圖2顯示了NI PXIe-4330的比值測量結(jié)構(gòu)。獨(dú)立的讀出線路監(jiān)視激勵輸出電壓并將其回饋到ADC基準(zhǔn)輸入。遠(yuǎn)距離的檢出輸入能夠被連接，以直接檢測電橋的激勵電壓，來補(bǔ)償降低導(dǎo)線電阻敏感度的誤差。

NI PXIe-4330含有專為橋式測量優(yōu)化的硬件設(shè)計。因此，模塊并不適于純電壓測量。

比值硬件方案的優(yōu)點(diǎn)

NI公司設(shè)計NI PXIe-4330，所使用的比值設(shè)計對簡化橋式傳感器測量具有至關(guān)重要的優(yōu)點(diǎn)。由此而來的結(jié)構(gòu)通過硬件方式，連續(xù)讀取激勵電壓并直接標(biāo)定測量值，排除了對激勵電壓精確性的依賴。此方案其它的優(yōu)點(diǎn)如下：

1. 增加了您的測量穩(wěn)定性.
   實(shí)際中激勵電壓變化的情況下，mV/V值保持恒定，增加了測量穩(wěn)定性。環(huán)境中由于溫度不同導(dǎo)致的細(xì)小變化常常會影響激勵電壓。因?yàn)榧铍妷罕蛔x取并反饋到ADC，任何的變化對測量的精確度和穩(wěn)定性都無足輕重。此方案也降低了激勵設(shè)計要求，通過節(jié)省空間，增加通道密度，提高了用戶的實(shí)用性。
   
2. 易于標(biāo)定工程單位.
   通過使用激勵作為ADC的基準(zhǔn)源，ADC的輸出提供的測量值是以V/V為單位。這樣減少了所需標(biāo)定值的數(shù)量，并可以返回更恰當(dāng)?shù)膯挝弧４送?，NI-DAQmx驅(qū)動軟件包括專用的橋式測量，例如用于應(yīng)力，拉力，壓力，扭力測量的常用通道類型。這樣就允許您從DAQ Assistant或 NI DAQmx-API選擇最恰當(dāng)?shù)臏y量類型。測量值以您選擇的物理單位返回，如N, lb, Pa, psi, Nm等。使用最新的通道類型，您可以選擇登錄兩點(diǎn)式，表格或多項(xiàng)式系數(shù)，取決于傳感器制造商提供的使用說明。結(jié)合這些特點(diǎn)，帶來一種非常簡潔的，用于測量橋式傳感器的界面。
   
3. 能以很高的采樣率獲取測量值.
   因?yàn)榧畋贿B續(xù)地反饋到ADC，所以不需要使用開關(guān)或另外的ADC對此信號進(jìn)行采樣的額外測量時間。這樣就允許NI PXIe-4330運(yùn)行在每通道高達(dá)25 kS/s的速度。