应变测量中单臂电桥输出的线性化处理

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1、应变测量中单臂电桥输岀的线性化处理2004年1月第27卷第1期重庆大学学报JOurnalOfChOnggingUniversityJan.2004VOI.27NO.l文章编号!1000-582X"2004#01-0028-04文摘e成9秦树人（重庆大学机械学院测试中心9重庆400030）耍!普通单臂电桥的输出电压与应变是非线性关系9在电阻变化率AR其非线性误R较大时9差就会大大增加9严重影响到测量精度0作者分析了产生非线性输出的原因9并从电路和软件两方面研究了减小或消除非线性误差的方法0探讨了恒流源测量电路反馈电压补偿电路可变电压源供电电路和冇源网络差分电路等四种线性化处理电路;同时提出了

2、用计算机软件来处理非线性误差的理论方法9并设计出相应的程序0这些线性化措施在一定程度上保证了应变测量的准确度0关键词!单臂电桥;非线性误差中图分类号!TP217应用电阻应变片作为传感器件测量应变应力及1与相关的物理量是一种常见的实验应力分析方法应力应变电测方法是实验应力应变分析方法中应用最广泛和适用性最强的技术之一对于多通道应变测量系统为了减少测量前的准备工作提高测试效率一般都采用单臂工作桥路但是普通单臂电桥的输出电压与桥臂电阻的变化并不是线性关系电桥的输出电压是非线性的当电阻变化率丛RR相当小时非线性误差会很小一般可以近似作为线性化处理但当变化率丛RR较大时其非线性误差很大从而会大大影响测量

3、精度因此需耍对单臂电桥采取非线性补偿或进行误差修正图1单臂接法电桥文献标识码!A由于二KE其中K为应变片灵敏系数R那么有EUO=El-E+2241单臂电桥非线性输出分析单臂接法如图1所示设桥压为U电桥的输出电U2压为UOR1为工作应变片电阻当感受应变为E时而产生的电阻增量为丛RR2R3R4为高精度固定电阻令R1=R2=R3=R4=R当输出端接入高阻抗负载时电桥的输出端可视为开路那么电桥的输岀电压为上式表明电桥输出U0与应变E呈非线性关系而且单臂电桥非线性误差随着所测应变值的增大而增加当应变E很小时可近似作线性化处理这时输出电压可以写成EU4那么其非线性误差项为U01=uo=U=・22R+丛R4

4、R1+2RY=UO-UO11-+2R2R4R2E=KE-E+24231-U・3E2e收稿Fl期12003-10-10作者简介!文成1972・男四川广安人重庆工业高等专科学校助教现为重庆大学机械电子工程专业硕士研究生主要从事智能测试与虚拟仪器技术的研究29用相对误差来表示非线性误差e则有：001>100%-E>100%U012对于康铜等金属电阻应变片设应变片的灵敏系数为计o其中A为放大器增益为G稳压电源产牛的稳定电压为URo电桥的输出电压U1经放大器后变为U0通过衰减B倍后与稳定电压UR相加送到激励源B使其产生电压U对电桥进行供电而且保证桥压U为:U二UR+BUe=K2如果测量较大应

5、变（如E=1000bm/m>；时其非线性误差为0.1%o在数据处理系统中如果要求系统的精度小于0.1%仅仅应变电桥这一项就占据了全部的误差［21这显然是不允许的o即使所测的应变较小时但对于采用半导体应变片其灵敏系数K120此时所产生的非线性误差仍然较大o这显然是不容忽视的o因此必须采取适当的措施进行修正o笔者从电路和软件两方面采取措施来减小或消除电桥的非线性输出o22.1电路改进消除非线性输出恒流源测量电路采用恒压源供电信号的处理及模/数转换较为图3反馈电压补偿线性化电路电桥此时的输出为：(■>-=-=R+R1+K-E241+K-E2方便而但信号可以不受各元件和导线分布电容及电-(U

6、0+UR>=(6>感的影响抗干扰能力强电桥调节平衡电路简单可41+K-E2B以不需耍市电［3lo但如果所测的应变较大耍求传感器(7>U0/G的输出灵敏度很大时可以选用大灵敏系数的应变计o所以:UO=G-U1从而解出:如果这时仍然采用恒压源对单臂电桥供电其测量结-(8>；UR0=果会产生严重的非线性误差o这时采用恒流源测量电41+K-E-24路可克服上述缺陷而且还能消除长导线电阻的影响o为消除非线性令BG=2于是得：(9>U0=-K-E-UR4由于G-K-UR是固定不变而且不受E变化的影响所以输出电压U0与应变E成止比结果消除了普通单臂电桥的非线性误差使之成为线性化的

7、输出电路［4lo2・3可变电压源供电电路如图4所示运算放大器A与三极管T构成可变图2恒流源供电电路电压源稳压管D向运算放大器反向输入端提供稳定恒流源测量电路如图2所示o其中I为工作恒流的参考电压URo由于运算放大器A的输入阻抗远远大源。此时电桥的输出电压为：于电桥桥臂电阻R2因此其影响可以忽略不计［5lo-l=-R-E-l=UO=R-设R1为工作应变片但RWR+丛RR2=R3=44-1+1+ER4