电桥式传感器供电的长线补偿研究

王学峰，刘继林，胡新玲

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

电桥式传感器供电的长线补偿研究

王学峰，刘继林，胡新玲

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

针对电桥式传感器供电时存在的长线电压损失问题，设计一种具有电压损失补偿的电路。通过理论分析，这种电路在技术上是可行的。实际验证后，这种电路也可以很好地对长线电阻导致的电压损失进行有效的补偿，使电桥工作在稳定的供桥电压。

电桥式传感器；供桥电压；电压补偿

1 引 言

电桥式传感器已经广泛用于工业测量的各个领域，其基本原理是：在可变形的弹性体上粘贴电阻应变片并组成电桥，当弹性体受外力变形时，导致一个或多个应变片变形，使得其电阻(阻抗)发生变化，使电桥失去平衡，产生输出信号，在良好的使用条件下，被测物理量的变化值与电桥输出信号成比例关系。

由电桥的电学原理可知，电桥要由外界提供一个稳定的直流或交流电源，输出端才可以有信号输出。在实际应用场合，要通过电桥外部电路为其提供电源，由于使用环境和技术的局限，工程上主要存在如下问题：

(1)电源部分距离电桥式传感器较远，有些场合甚至达到近千米。当供电时，由于导线过长而产生的线上电阻会使供电电压有所损失，直接导致的问题就是电桥电压不足，电桥输出信号降低，测量结果不准确。

(2)由于传感器一般都是在标准测力机上标定，标定后安装到实际的工作现场，导线的长度发生变化，供桥电压发生变化，最终导致传感器输出信号和标定值不符。

鉴于以上问题，本文对电桥式传感器的长线供电问题进行研究，并开发一种具有长线补偿的电路，用来解决工程上的长线电压损失问题。

2 线缆电阻对供桥电压的影响

图1 电桥原理图

电桥的原理如图1所示。供电电压VP经过线缆，加在电桥的两个对角端，R5和R6是线缆电阻，VE是供桥电压，另外两个对角端是电桥的输出电压V0。当电桥平衡时，有V0=0。不平衡时，即桥臂电阻有不对称变化时，有V0≠0。对于对称全桥来说，有：

(1)

式中，ΔR为桥臂的电阻变化值；R为桥臂电阻的阻值。

在工程应用上，往往希望VE=VP，测量结果更加准确和直接。但是，由于线缆电阻导致电压有损失，即VE

线缆的电阻为：

(2)

其中，ρ为电阻率，和导体的材料有关；L为线缆长度；A为线缆的横截面积。

以横截面积为0.1mm2的铜导线为例，电阻率ρ为1.75× 10-8Ω·m，长 1000m，此时的电阻为175Ω，要想获得VE=10 V的供桥电压，那么VP=20V。

3 一种供桥电路的分析

图2是本文提出的一种补偿电路的原理框图。首先，从传感器电桥的供桥电源两个端点分别引出信号反馈线，这就对检测系统有如下要求：(1)传感器电桥电路要具有电压监测引出线，即六线制接线；(2)供电电路要具有接收电压监测信号的引线，即具有反馈线。

图2 补偿电路原理框图

电桥的正电压引出反馈，与正基准电压比较，可以保持电桥正电压与正基准电压一致，负向原理也是如此，因此，只要基准电源不发生变化，供桥电压就不变，这样，基准电源就与线路的电阻压降无关，达到补偿的作用。

详细电路如图3所示。电路中的运算放大器U1A、U1B和续流三极管组成负反馈跟随电路。R3、R4、R8、R9是应变片，阻值为350Ω。R6、R38、R39、R40是长距离导线产生的电阻，选择为180Ω，来模拟实际的阻值。Ref+5V和Ref-5V是基准电压，分别接在U1A和U1B的正相输入端。根据运算放大器的特性，基准电压Ref+5V和Ref-5V被加在电桥的2个供电端上，电桥正负对称电源供电。这样，只要Ref+5V和Ref-5V不改变，电桥两个供电端的电压就严格等于10V，电桥电压与长线电阻大小无关。

图3 详细电路图

Q1、Q2、Q3、Q4是为电桥续流的三极管，保持电桥上的电流IE=28.6mA(VE=10V)。

4 实际应用情况

根据图3的电路，为IDT100kN测力传感器制作了电桥供电的印刷电路板，用来测试长线电阻对供电的影响。试验结果如表1所示。

表1 试验结果

根据运算放大器输入的“虚断”特性，不考虑R39、R40对VE和IE的影响。

5 结 论

综合以上分析和试验，本文提出的电桥式传感器供电电路可以满足电源距离传感器较远的工作环境。虽然传输距离较远，但仍然可以为应变电桥提供稳定的电压和电流。另外，该电路中配置的正负基准电源、双联封装运放和三极管等器件容易采购，且价格低，不会给整体放大电路的成本带来压力。

[1]李科杰.新编传感器技术手册[M].国防工业出版社,2002:430-434.

Study on Power Supply in Long Distance for Transducer with Strain Bridge

Wang Xuefeng, Liu Jilin, Hu Xinling

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd. Changchun 130103, Jilin, China)

In this paper, a design is shown by a practical type of circuit which can be able to compensate the power loss caused by long distance from the power supply. The design is proved to be feasible by necessary and sufficient theoretical analysis. The results of the practical test show clearly that the circuit can work so well with the compensation for the long distance loss of the power supply that a constant excitation voltage can be achieved on the strain bridge of the transducer.

transducer with strain bridge; excitation voltage; voltage compensation

2016-09-29

王学峰(1968-)，男，高级工程师，主要研究方向：测力传感器、工程检测。

TP212.1

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.021