使用比值方案的橋式測(cè)量傳感器

橋式測(cè)量概述

可用的橋式傳感器有很多類型，包括應(yīng)變計(jì)、測(cè)壓元件、壓力傳感器，以及扭矩傳感器。橋式傳感器使用無(wú)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(gè)橋臂作為有源傳感元件。然而，普通的應(yīng)變計(jì)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(cè)量裝置提供。因?yàn)殡姌蚴皆菬o(wú)源的，所以它們需要額外的信號(hào)調(diào)理來(lái)提供激勵(lì)信號(hào)并測(cè)量得到激勵(lì)下的有效輸出。

圖1. 惠斯通電橋廣泛用于測(cè)量張力，載荷，壓力以及扭力.

大多數(shù)情況下，測(cè)量裝置提供的激勵(lì)是以連接到橋式傳感器兩個(gè)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(cè)量一個(gè)通過(guò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入電壓，如圖1所示的V_CH。一個(gè)物理現(xiàn)象，比如一個(gè)施加于樣品的壓力改變，會(huì)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(duì)其它電阻的變化將會(huì)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(guò)公式換算可以得出相對(duì)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(lái)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(guò)幾個(gè)mV。傳感器的輸出直接隨激勵(lì)而變化，因此測(cè)量結(jié)果一般以mV/V值來(lái)表征。分子是傳感器的輸出電壓值(mV)，分母是支持激勵(lì)電壓(V)。需要記住的是mV/V是無(wú)量綱的兩個(gè)電壓的比值，用于描述構(gòu)成傳感器的相對(duì)電阻。很多傳感器會(huì)明確說(shuō)明附加單位，允許使用者將輸出轉(zhuǎn)化為更有價(jià)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(cè)量傳感器的常見(jiàn)方案

為精確測(cè)量橋式傳感器的比值輸出，您需要知道輸出電壓和激勵(lì)電壓。您可以通過(guò)使用高精度的電壓源或通過(guò)測(cè)量來(lái)確定激勵(lì)電壓的大小。當(dāng)高精度的電壓源被使用時(shí)，激勵(lì)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(cè)量值必需由軟件相應(yīng)地標(biāo)定，來(lái)得到比值讀數(shù)。如果電橋阻值保持恒定而激勵(lì)電壓改變，測(cè)量橋的輸出也會(huì)隨之改變。這會(huì)引起比值測(cè)量誤差，除非激勵(lì)電壓的變化被測(cè)量并且考慮到標(biāo)度的電橋輸出電壓中。激勵(lì)電壓源的仔細(xì)設(shè)計(jì)是非常有必要的，以確保激勵(lì)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(jí)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(lái)補(bǔ)償不同的傳感器組合和激勵(lì)電壓。一些測(cè)量裝置使用相同的方法來(lái)測(cè)量激勵(lì)電壓用以解決前面所描述的誤差。這種方法一般使用開(kāi)關(guān)暫時(shí)地?cái)嚅_(kāi)傳感器輸入并測(cè)量激勵(lì)。此測(cè)量值在軟件中再一次使用以標(biāo)定相應(yīng)的測(cè)量值。

用于橋式測(cè)量傳感器的NI SC Express方案

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

請(qǐng)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(gè)傳感器連接到ADC輸入和激勵(lì)電壓輸出。現(xiàn)在考慮激勵(lì)電壓的增加。橋式傳感器的輸出正比于激勵(lì)電壓，所以如果橋式傳感器保持恒定，比率并不會(huì)改變。測(cè)量一個(gè)隨激勵(lì)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(lái)自 ADC的激勵(lì)電壓.

圖2顯示了NI PXIe-4330的比值測(cè)量結(jié)構(gòu)。獨(dú)立的讀出線路監(jiān)視激勵(lì)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(cè)電橋的激勵(lì)電壓，來(lái)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(cè)量?jī)?yōu)化的硬件設(shè)計(jì)。因此，模塊并不適于純電壓測(cè)量。

比值硬件方案的優(yōu)點(diǎn)

NI公司設(shè)計(jì)NI PXIe-4330，所使用的比值設(shè)計(jì)對(duì)簡(jiǎn)化橋式傳感器測(cè)量具有至關(guān)重要的優(yōu)點(diǎn)。由此而來(lái)的結(jié)構(gòu)通過(guò)硬件方式，連續(xù)讀取激勵(lì)電壓并直接標(biāo)定測(cè)量值，排除了對(duì)激勵(lì)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(cè)量穩(wěn)定性.
   實(shí)際中激勵(lì)電壓變化的情況下，mV/V值保持恒定，增加了測(cè)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(huì)影響激勵(lì)電壓。因?yàn)榧?lì)電壓被讀取并反饋到ADC，任何的變化對(duì)測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性都無(wú)足輕重。此方案也降低了激勵(lì)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)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(guò)使用激勵(lì)作為ADC的基準(zhǔn)源，ADC的輸出提供的測(cè)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(dòng)軟件包括專用的橋式測(cè)量，例如用于應(yīng)力，拉力，壓力，扭力測(cè)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(cè)量類型。測(cè)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(shuō)明。結(jié)合這些特點(diǎn)，帶來(lái)一種非常簡(jiǎn)潔的，用于測(cè)量橋式傳感器的界面。
   
3. 能以很高的采樣率獲取測(cè)量值.
   因?yàn)榧?lì)被連續(xù)地反饋到ADC，所以不需要使用開(kāi)關(guān)或另外的ADC對(duì)此信號(hào)進(jìn)行采樣的額外測(cè)量時(shí)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。