橋式測量概述

　　可用的橋式傳感器有很多類型,，包括應(yīng)變計(jì)、測壓元件,、壓力傳感器,，以及扭矩傳感器。橋式傳感器使用無源的電阻網(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量裝置提供,。因?yàn)殡姌蚴皆菬o源的，所以它們需要額外的信號(hào)調(diào)理來提供激勵(lì)信號(hào)并測量得到激勵(lì)下的有效輸出,。

圖1. 惠斯通電橋廣泛用于測量張力,，載荷，壓力以及扭力.

　　大多數(shù)情況下,，測量裝置提供的激勵(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VEX。然后裝置測量一個(gè)通過兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入電壓,，如圖1所示的VCH,。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VEX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VCH / VEX的比值來描述。

　　(方程 1)

　　惠斯通電橋傳感器非常敏感,，典型的輸出不超過幾個(gè)mV。傳感器的輸出直接隨激勵(lì)而變化,，因此測量結(jié)果一般以mV/V值來表征,。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,。

　　橋式測量傳感器的常見方案

　　為精確測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,。您可以通過使用高精度的電壓源或通過測量來確定激勵(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，電橋的輸出測量值必需由軟件相應(yīng)地標(biāo)定,，來得到比值讀數(shù),。如果電橋阻值保持恒定而激勵(lì)電壓改變，測量橋的輸出也會(huì)隨之改變,。這會(huì)引起比值測量誤差,，除非激勵(lì)電壓的變化被測量并且考慮到標(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來補(bǔ)償不同的傳感器組合和激勵(lì)電壓。一些測量裝置使用相同的方法來測量激勵(lì)電壓用以解決前面所描述的誤差,。這種方法一般使用開關(guān)暫時(shí)地?cái)嚅_傳感器輸入并測量激勵(lì),。此測量值在軟件中再一次使用以標(biāo)定相應(yīng)的測量值。

　　用于橋式測量傳感器的NI SC Express方案

　　NI PXIe-4330橋式輸入模塊,，來自SC Express產(chǎn)品家族,，包含能更好地減少激勵(lì)電壓測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)一無二的,、特別為改進(jìn)比值測量而設(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?，F(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涉及來自 ADC的激勵(lì)電壓.

　　圖2顯示了NI PXIe-4330的比值測量結(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,，以直接檢測電橋的激勵(lì)電壓,，來補(bǔ)償降低導(dǎo)線電阻敏感度的誤差。

　　NI PXIe-4330含有專為橋式測量優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì),。因此,，模塊并不適于純電壓測量。

　　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)簡化橋式傳感器測量具有至關(guān)重要的優(yōu)點(diǎn),。由此而來的結(jié)構(gòu)通過硬件方式，連續(xù)讀取激勵(lì)電壓并直接標(biāo)定測量值,，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：

• 　　增加了您的測量穩(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)測量的精確度和穩(wěn)定性都無足輕重,。此方案也降低了激勵(lì)設(shè)計(jì)要求，通過節(jié)省空間,，增加通道密度,，提高了用戶的實(shí)用性。

• 　　易于標(biāo)定工程單位.

　　通過使用激勵(lì)作為ADC的基準(zhǔn)源,，ADC的輸出提供的測量值是以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?。此外,，NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件包括專用的橋式測量，例如用于應(yīng)力,，拉力，壓力,，扭力測量的常用通道類型,。這樣就允許您從DAQ Assistant或  NI DAQmx-API選擇最恰當(dāng)?shù)臏y量類型。測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明,。結(jié)合這些特點(diǎn)，帶來一種非常簡潔的,，用于測量橋式傳感器的界面,。

• 　　能以很高的采樣率獲取測量值.

　　因?yàn)榧?lì)被連續(xù)地反饋到ADC，所以不需要使用開關(guān)或另外的ADC對(duì)此信號(hào)進(jìn)行采樣的額外測量時(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,。