电阻电桥型传感器的非线性补偿电路设计

陈玉伟，张 丛

(青岛航天半导体研究所有限公司，山东 青岛266071)



电阻电桥型传感器的非线性补偿电路设计

陈玉伟，张 丛

(青岛航天半导体研究所有限公司，山东 青岛266071)

为了修正输出特性为下凹形曲线的电阻电桥型传感器的非线性误差，文中在电桥电路中引入了一个共模电阻元件，利用单电源供电的PGA放大器实现了电阻电桥型传感器的非线性补偿，非线性由原来的0.5%FS减小到了0.03%FS。

电阻电桥；传感器；非线性补偿；共模电阻

对于大部分的电阻型传感器，为了能得到被测物理量对应的信号，都是将其接成电阻电桥的形式，根据敏感元件是单个电阻、2个电阻及4个电阻，从而可用单臂电桥、半桥及四臂电桥[1]得到对应物理量的输出参数，然后将电桥输出的电压信号经放大器放大后交给后续仪表来完成测量显示及控制功能。组成传感器的测量电路，除了电桥本身的非线性，还有敏感元件固有的非线性。若要得到线性的输入输出特性，减少或消除传感器及转换电路的非线性带来的测量误差，一般都要对其进行非线性补偿。为此，诸多学者采用了各种各样的非线性补偿方法[2-5]，使传感器的输入输出特性达到了较好的线性度，但大部分的补偿电路需要两个或多个放大器，且供电电源要求为正负电源，电路结构较为复杂。特别对于输入输出特性为下凹形曲线的传感器，无法使用正反馈放大电路补偿传感器的非线性。本文试图探讨一种输入信号增大时输出信号灵敏度也增大的非线性误差问题的解决方法，给出一种较为简单、可靠的硬件非线性补偿电路。

1 电路设计原理

1.1 电阻电桥放大电路

在常规的等臂电阻电桥中，若每个桥臂中的电阻都随着输入信号的变化是线性变化的，把4个桥臂电阻接入图1所示的电路中即组成了电阻电桥放大电路，图中的PGA为可编程仪表放大器。

图1 电阻电桥放大电路

图1所示的电阻电桥，其输出信号[1]为

(1)

若放大器的放大倍数为K，则放大后的输出信号为

(2)

于是随着ΔR的线性变化，输出信号VO也是线性变化的。

1.2 非线性仿真电路

为了改变电阻电桥型传感器输入输出信号的非线性，设想设计一个线性放大电路的反电路，所设计的电路其输出信号的一部分返回到输入端使输入信号减小，适当调整返回的量值，使输入输出关系呈现某一非线性变化的规律，使一个本来是线性输出的电路变为非线性的输出。尽管电桥的输出是线性的，但经过放大后的信号则是非线性的。为此，设计出图2所示的电路。

图2 电阻电桥传感器非线性仿真电路

图2中的电桥是一个等臂的电阻电桥，与常规电桥不同的是，电路中引入了一个称为共模电阻的元件RC，且通过RF将输出信号VO引回到电桥的供电电源负端，使加在电桥两端的电压是变化的。为了使输入信号不直接影响输出信号，图2中各个电阻的参数须满足RF≫R≫RC。

电路中的Vr和VO均视为电压源，按照叠加定理[6]可计算出RC上的电压降VC。分别计算Vr和VO对RC的作用。当Vr作用时将VO视为对地短路，计算出VC1；当VO作用时，将Vr视为对地短路，计算出VC2。则

(3)

从式(3)中可看出，只要RC和RF选定，VC1就是常数，而VC2会随着放大器输出电压VO的增大而增大，从而加在电桥上的电压会随输入信号的增大而减小，则电桥输出信号呈现非线性。

当ΔR线性增大时，由仿真软件得到表1所示的测量结果。

表1 输出电压VO与ΔR的仿真测量结果

从表1可看出图2所示的电路，输出信号VO随输入信号的线性增大有减小的趋势，呈现出输入输出曲线是上凸形的，非线性误差出现在输出信号量程的中点，RC上的电压降随着VO的增大而增大。

2 非线性补偿电路的实现

组成电桥的传感器其输入输出曲线若呈现出下凹的形状，就可采用如图2所示的电路作为传感器的放大电路。电路中的供电电源采用单电源5 VDC，由于共模电阻RC的引入，使VO通过RF对电桥两端的供电电源施加影响，且产生的影响与传感器的非线性趋势相反而相互抵消，可采用调试端点(零位和满度)看中点的方法进行补偿。当传感器的量程确定后，适当选择RC，选取合适的RF后就可使传感器的输出信号随输入信号是线性变化的。

3 试验结果

合金膜压力传感器具有稳定性好、温度系数小的优点，但其输出电压随输入信号(压力)的增大而呈现下凹的输出曲线，其非线性误差约为0.5%FS。把压力传感器接入图3所示的电路，若压力的测量范围为0～40 MPa，输出信号为4～20 mA，供电电压为24 VDC，放大电路中的PGA采用TI公司的可编程仪表放大器PGA308[7]，Vr用TI公司的电压电流转换器XTR116[8]，做成的压力传感器其测量结果如表2所示。

表2 压力传感器标定测试结果

图3 压力传感器非线性补偿变送电路

从表2中数据计算可得出传感器的最大非线性误差为0.03%FS，与未补偿前的传感器非线性误差相比降低了一个数量级。所述的压力传感器在本单位已进行了小批量生产。

4 结束语

本设计虽然只是对合金膜压力传感器的非线性补偿进行了验证和实施，但对于输出特性为下凹形的电阻电桥型传感器的非线性补偿同样适用；非线性补偿电路中共模电阻的引入，使单电源的PGA放大器放大电阻电桥型传感器的信号、改善补偿传感器的非线性成为了可能；电路中的放大器采用了对传感器零位及满度可数字调试的可编程仪表放大器，减小了调试过程中用电位器或更换电阻带来的精度低、稳定性差的问题；提供了一种利用简单电阻电路进行非线性补偿的新方法，达到了既能实现较高精度又能有高性价比的效果。

[1] 赵燕.传感器原理及应用[M].北京:北京大学出版社,2010.

[2] 朱武,张佳民.用放大器反馈控制消除电桥非线性误差[J].光学精密工程,2007,15(6):910-914.

[3] 文成,秦树人.应变测量中单臂电桥输出的线性化处理[J].重庆大学学报,2007,27(1):28-31.

[4] 刘魁方,黄民,姚小敏.基于虚拟仪器的高精度压力信号放大系统设计[J].电子科技,2013,26 (2):32-35.

[5] 樊德军,崔仁涛,陈涤.消除传感器电桥非线性误差的方法[J].仪表技术与传感器,1998(4):37-42.

[6] 毕淑娥.电路分析基础[M].北京:机械工业出版社,2010.

[7] Texas Instruments,Inc.PGA308 product datasheet[EB/OL].(2010-09-12)[2017-04-11]http:// www.ti.com.

[8] Texas Instruments,Inc. XTR116 product datasheet[OB/OL].(2003-08-16)[2017-04-11]http:// www.ti.com.

Design of Nonlinear Compensating Circuit of a Resistance Bridge Type Sensor

CHEN Yuwei,ZHANG Cong

(Qingdao Aerospace Semiconductor Institute Co.,LTD.,Qingdao 266071,China)

In order to correct the nonlinear error of the resistance bridge type sensor for the concave curve of output characteristics, a common mode resistor is adopted in the bridge circuit. The nonlinear compensation of resistance bridge type sensor is realized by using a PGA amplifier supplied by a single power supply, and the nonlinearity is reduced from 0.5%FS to 0.03%FS.

resistance bridge；sensor；nonlinear compensating；common mode resistor

2016- 11- 07

陈玉伟(1960-)，男，高级工程师。研究方向：传感器及电子技术应用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.035

TN702

A

1007-7820(2017)07-128-03