王學(xué)峰，劉繼林，胡新玲

(長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

電橋式傳感器供電的長(zhǎng)線補(bǔ)償研究

王學(xué)峰，劉繼林，胡新玲

(長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

針對(duì)電橋式傳感器供電時(shí)存在的長(zhǎng)線電壓損失問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種具有電壓損失補(bǔ)償?shù)碾娐?。通過(guò)理論分析，這種電路在技術(shù)上是可行的。實(shí)際驗(yàn)證后，這種電路也可以很好地對(duì)長(zhǎng)線電阻導(dǎo)致的電壓損失進(jìn)行有效的補(bǔ)償，使電橋工作在穩(wěn)定的供橋電壓。

電橋式傳感器；供橋電壓；電壓補(bǔ)償

1 引 言

電橋式傳感器已經(jīng)廣泛用于工業(yè)測(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域，其基本原理是：在可變形的彈性體上粘貼電阻應(yīng)變片并組成電橋，當(dāng)彈性體受外力變形時(shí)，導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)應(yīng)變片變形，使得其電阻(阻抗)發(fā)生變化，使電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出信號(hào)，在良好的使用條件下，被測(cè)物理量的變化值與電橋輸出信號(hào)成比例關(guān)系。

由電橋的電學(xué)原理可知，電橋要由外界提供一個(gè)穩(wěn)定的直流或交流電源，輸出端才可以有信號(hào)輸出。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，要通過(guò)電橋外部電路為其提供電源，由于使用環(huán)境和技術(shù)的局限，工程上主要存在如下問(wèn)題：

(1)電源部分距離電橋式傳感器較遠(yuǎn)，有些場(chǎng)合甚至達(dá)到近千米。當(dāng)供電時(shí)，由于導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生的線上電阻會(huì)使供電電壓有所損失，直接導(dǎo)致的問(wèn)題就是電橋電壓不足，電橋輸出信號(hào)降低，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

(2)由于傳感器一般都是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)上標(biāo)定，標(biāo)定后安裝到實(shí)際的工作現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)線的長(zhǎng)度發(fā)生變化，供橋電壓發(fā)生變化，最終導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)和標(biāo)定值不符。

鑒于以上問(wèn)題，本文對(duì)電橋式傳感器的長(zhǎng)線供電問(wèn)題進(jìn)行研究，并開發(fā)一種具有長(zhǎng)線補(bǔ)償?shù)碾娐罚脕?lái)解決工程上的長(zhǎng)線電壓損失問(wèn)題。

2 線纜電阻對(duì)供橋電壓的影響

圖1 電橋原理圖

電橋的原理如圖1所示。供電電壓VP經(jīng)過(guò)線纜，加在電橋的兩個(gè)對(duì)角端，R5和R6是線纜電阻，VE是供橋電壓，另外兩個(gè)對(duì)角端是電橋的輸出電壓V0。當(dāng)電橋平衡時(shí)，有V0=0。不平衡時(shí)，即橋臂電阻有不對(duì)稱變化時(shí)，有V0≠0。對(duì)于對(duì)稱全橋來(lái)說(shuō)，有：

(1)

式中，ΔR為橋臂的電阻變化值；R為橋臂電阻的阻值。

在工程應(yīng)用上，往往希望VE=VP，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確和直接。但是，由于線纜電阻導(dǎo)致電壓有損失，即VE

線纜的電阻為：

(2)

其中，ρ為電阻率，和導(dǎo)體的材料有關(guān)；L為線纜長(zhǎng)度；A為線纜的橫截面積。

以橫截面積為0.1mm2的銅導(dǎo)線為例，電阻率ρ為1.75× 10-8Ω·m，長(zhǎng) 1000m，此時(shí)的電阻為175Ω，要想獲得VE=10 V的供橋電壓，那么VP=20V。

3 一種供橋電路的分析

圖2是本文提出的一種補(bǔ)償電路的原理框圖。首先，從傳感器電橋的供橋電源兩個(gè)端點(diǎn)分別引出信號(hào)反饋線，這就對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)有如下要求：(1)傳感器電橋電路要具有電壓監(jiān)測(cè)引出線，即六線制接線；(2)供電電路要具有接收電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)的引線，即具有反饋線。

圖2 補(bǔ)償電路原理框圖

電橋的正電壓引出反饋，與正基準(zhǔn)電壓比較，可以保持電橋正電壓與正基準(zhǔn)電壓一致，負(fù)向原理也是如此，因此，只要基準(zhǔn)電源不發(fā)生變化，供橋電壓就不變，這樣，基準(zhǔn)電源就與線路的電阻壓降無(wú)關(guān)，達(dá)到補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

詳細(xì)電路如圖3所示。電路中的運(yùn)算放大器U1A、U1B和續(xù)流三極管組成負(fù)反饋跟隨電路。R3、R4、R8、R9是應(yīng)變片，阻值為350Ω。R6、R38、R39、R40是長(zhǎng)距離導(dǎo)線產(chǎn)生的電阻，選擇為180Ω，來(lái)模擬實(shí)際的阻值。Ref+5V和Ref-5V是基準(zhǔn)電壓，分別接在U1A和U1B的正相輸入端。根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，基準(zhǔn)電壓Ref+5V和Ref-5V被加在電橋的2個(gè)供電端上，電橋正負(fù)對(duì)稱電源供電。這樣，只要Ref+5V和Ref-5V不改變，電橋兩個(gè)供電端的電壓就嚴(yán)格等于10V，電橋電壓與長(zhǎng)線電阻大小無(wú)關(guān)。

圖3 詳細(xì)電路圖

Q1、Q2、Q3、Q4是為電橋續(xù)流的三極管，保持電橋上的電流IE=28.6mA(VE=10V)。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

根據(jù)圖3的電路，為IDT100kN測(cè)力傳感器制作了電橋供電的印刷電路板，用來(lái)測(cè)試長(zhǎng)線電阻對(duì)供電的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)運(yùn)算放大器輸入的“虛斷”特性，不考慮R39、R40對(duì)VE和IE的影響。

5 結(jié) 論

綜合以上分析和試驗(yàn)，本文提出的電橋式傳感器供電電路可以滿足電源距離傳感器較遠(yuǎn)的工作環(huán)境。雖然傳輸距離較遠(yuǎn)，但仍然可以為應(yīng)變電橋提供穩(wěn)定的電壓和電流。另外，該電路中配置的正負(fù)基準(zhǔn)電源、雙聯(lián)封裝運(yùn)放和三極管等器件容易采購(gòu)，且價(jià)格低，不會(huì)給整體放大電路的成本帶來(lái)壓力。

[1]李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊(cè)[M].國(guó)防工業(yè)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

王學(xué)峰(1968-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：測(cè)力傳感器、工程檢測(cè)。

TP212.1

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.021