LOG104在Wheatston應(yīng)變測量橋路中的應(yīng)用

等值跟隨Wheatston應(yīng)變電橋輸出變化

對橋源失調(diào)電壓為 的應(yīng)變電橋，經(jīng)過上述處理后進(jìn)入對數(shù)運算電路的電流量為

其中I₁為理想電流值，為失調(diào)電流系數(shù)。

此時，對數(shù)運算電路LOG104的輸出為

其中，對于具有確定參數(shù)和橋壓值的應(yīng)變電橋有，代入式（16）得

將式（12）代入式（17）中

這里，由于，代入式（18）中

由式（19）可知，應(yīng)變電橋輸出信號經(jīng)對數(shù)運算后得到的輸出函數(shù)與應(yīng)變值成單值函數(shù)關(guān)系，與電阻R₃、R₄值無關(guān)。只要確定I₁、I₂的輸入范圍，對數(shù)方程即可確定。這里，由于I₁、I₂的輸入范圍為100nA～100μA，C值調(diào)整為0.5V，則對數(shù)運算放大器的輸出為

這個輸出關(guān)系的曲線仿真圖，如圖3所示。

圖3 LOG104輸出電壓與應(yīng)變測量值關(guān)系

從中可以看到，對于應(yīng)變電橋的應(yīng)變范圍為1μm/m～1000μm/m時，輸出電壓范圍為＋1.5V～0V。從中可以看到，一個微應(yīng)變可以產(chǎn)生的最小輸出電壓（從第999個微應(yīng)變到第1000變化時）為0.22mV，最大輸出電壓（從第1個微應(yīng)變到第2個微應(yīng)變變化時）0.15V，可見此設(shè)計在小應(yīng)變時電路的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大應(yīng)變時電路的靈敏度。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：上述設(shè)計直接將橋源輸入設(shè)定為LOG104的上限參考值，使得測量結(jié)果由小到大逐漸逼近參考電流，由于輸出函數(shù)為衰減率漸小的對數(shù)函數(shù)，所以導(dǎo)致上述現(xiàn)象的發(fā)生；因此，只要將橋源輸入設(shè)定為下限參考值（通過增大R1電阻阻值實現(xiàn)），使測量結(jié)果遠(yuǎn)離此參考電流，既可使大測量范圍時的電路靈敏度得到提高。

通過這個現(xiàn)象，可以實現(xiàn)靈敏度區(qū)間要求不同的測量電路設(shè)計：對小應(yīng)變區(qū)間靈敏度要求高時，采取上限設(shè)定參考；對大應(yīng)變區(qū)間靈敏度要求高時，采取下限設(shè)定參考。這樣，測量電路就會取得意想不到的輸出效果。同時，由式（19）可以看出，輸出函數(shù)中不包含橋源的影響項，附加電阻R₃、R₄最終也只是作為設(shè)定對數(shù)運算放大器輸入范圍而用，并沒有對輸出造成影響，這樣就實現(xiàn)了橋源誤差的濾除功能。并且，經(jīng)過這種電路處理后，測量電路的很大一部分誤差影響就可在系統(tǒng)標(biāo)定時作為常量直接從測量結(jié)果中剔除，從而使電路設(shè)計得到精簡。根據(jù)不同需要，后續(xù)結(jié)果可以采用14位以上的ADC芯片處理；也可將測量結(jié)果直接進(jìn)行反對數(shù)運算以達(dá)到應(yīng)用要求。

結(jié)論
綜上所述，本文采用對數(shù)電路LOG104濾除了Wheatston應(yīng)變電橋橋源失調(diào)對測量輸出造成的誤差影響，簡化了補償電路，設(shè)計出一種滿足在惡劣工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的應(yīng)變電橋處理電路，為其它有相似要求的傳感器電路設(shè)計提供了可供借鑒的方法。