在直流不平衡Wheatston应变桥路中,桥源产生的误差主要包括:
1.桥源失调造成的误差
这个误差与恒压源本身的性质有关,具有较强的随机性,不同型号的恒压源失调特点也不尽相同,一般工业测量中提供的恒压源误差在几十毫伏之间,如果直接采用DC-DC模块作为桥源其误差可能达到百毫伏量级,这么大的失调将在输出信号中产生严重的失调误差。假设桥源保守失调值,那么它将在灵敏度K = 2,理论桥压,应变计电阻,应变的应变全桥电路中产生输出电压
这个值相当于10个微应变所产生的信号,可见其影响的程度。并且由此造成的直接输出误差为
这对于高精度传感器设计来说是绝对不能允许的。由于此桥源失调误差直接由桥源本身特性决定,因此,在传统的动态测量系统中难以完全抵消。如果采取高稳压桥路供压则势必会增大测量电路体积,增加对加工工艺、环境因素的限制,带来应用上的不便。
2.传输线电阻造成的误差
由于桥源与应变桥之间的导线存在电阻,当这个阻值大到一定程度时,将对测量输出产生严重影响。对于每米电阻值 的导线,当传输线总长为20m时,将使实际供桥桥压下降,由此造成的输出误差为
3.恒压源温度漂移及环境因素对恒压源影响造成的误差
因为在工业现场,桥路的工作环境饱含大量电磁辐射、热辐射、振动、粉尘等恶劣因素,这些都加剧了恒压源的不稳定特性。由此造成的输出误差eE 不亚于桥源失调所造成的影响。
综合上面几点,因为桥源影响最坏所能造成的整体误差为
这对于要求较高精度的工业应用领域,一般恒压源显然不能满足应用要求,必须采用高精度恒压源作Wheatston电桥桥源。但是,由于许多应用场合限制了高精度恒压源的使用,例如,用于旋转体上扭矩测量的电阻应变式扭矩仪,其随轴转动器件的电源供应多采取AC-DC方式供给,由此产生的直流电压很难直接用作桥源,必须采取高精度补偿调整电路,不仅增加了成本,也增大了电路的体积和设计复杂度,有悖于测量仪器小型化的要求。因此,滤除桥源影响,将桥源误差归一到后续处理电路中,将直接提高测量仪器的精度和降低电路设计的复杂性,提高仪器的可靠性。
利用对数法消除桥源影响
利用LOG104优良的对数运算特性,将Wheatston电桥桥源引出一端接I1作为LOG104的参考输入,应变桥输出接I2作为LOG104的测量输入,当I1、I2的输入范围在1nA~100uA变化时,分别在I1、I2端串接 、 电阻限流,可保证5V桥源供电、最大应变为1000个微应变、灵敏度为2的Wheatston桥路测量使用,其测量电路设计,如图2所示。
图2 Wheatston应变电桥测量电路
其中
α、β分别为I1、I2的输入上下限电流值。
这里采用凌特公司高精度仪用运放LTC2053作为应变桥测量前置电路处理芯片[4]。该运放精密度极高,供电电压范围从2.7V至11V,失调电压小于10uV,偏压漂移小于50nV/℃,共模抑制比(CMRR)大于116dB,增益误差小于0.01%,增益非线性度小于10ppm,与其它相似器件相比具有极佳的性能价格比,如表2所示。