王瑞玲
（陕西省铜川市质量技术监督局 铜川 ７２７０００） 摘要 当二次测量仪表与传感器有一定距离时，由于桥路供电导线自身电阻的存在，且导线的阻值随环境温度而变，这将不可避免地引入测量误差。文中提出了供桥电压直接补偿法和比率补偿法。前者是将采样线反送回的实际桥压信号与供桥电压源的基准电压进行比较，通过误差放大器控制调整管，使加到传感器测量桥路上的电压保持稳定；后者是通过电路进行比率运算，消除桥压对测量结果的影响。在采用A/D变换技术的测量电路中，应用比率法不仅能有效的消除桥压变化对测量结果的影响，而且在电路上也非常简单。
关键词 电阻应变式传感器线损补偿桥路供桥电压
１电阻应变式传感器的电路损耗及其影响
电阻应变式传感器大量应用于电子式称重计量器具中，其基本结构如图1所示。桥路由四片电阻应变片构成，当传感器受力作用时，应变片产生形变，桥臂电阻值发生变化。由于电桥平衡条件被破坏，当在传感器输入端加上恒定激励电压时，则其输出端产生比例于称重的输出电压。
设传感器的灵敏度为S，额定称重能力为C，传感器的桥路激励电压为E，当加在传感器上的力为P时，传感器的输出信号为
C
P
E
S
U/
⋅
⋅
= (1) 由（1）式可以看出S、C是传感器的固有参数，随环境变化比较小。桥路电压E很容易受外界条件影响，从而产生测量误差，尤其在二次测量仪表或测量线路与传感器距离较远时，由于传感器的输入阻抗较低（一般为几百欧姆左右），桥路供电电压在线路上产生的电流较大和桥路供电导线自身电阻的存在，不可避免地产生电压损耗，而且由于金属导线的电阻随环境温度变化而变，故线路上的电压损耗不仅与导线的长度有关，而且也与环境温度变化有关。从而影响到传感器桥路供压的准确性和稳定性，不可避免地产生测量误差。
２传感器线损的补偿原理和方法
如图2所示，四线制是桥路供电线损的常用补偿方法。其中A、B两条导线与二次仪表或测量线路的电源相连，为传感器桥路输送电压。由于传感器的输入阻抗较低，流过A、B导线的电流较大，故称之为桥路电源的电流回路。另外两条线a、b是采样线，由于二次仪表或测量线路输入阻抗很高，导线a、b上流过的电流很小，可以认为采样线无电压损失，其回送到二次仪表或测量线路的信号电压近似真实地反映了传感器输入端的激励电压，故称之为电压回路。二次仪表或测量线路对电压回路送来的实际桥压进行适当的补偿，可以减小电流回路中导线引起的供桥电压变化对测量准确度的影响。
对电阻应变式传感器线路损耗可采取如下两种补偿方法。
２．１供桥电压直接补偿法
Ａ
Ｂ
图１ 电阻应变式传感器结构原理
Ａ
Ｂ
图２ 四线制桥路线损补偿原理
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供桥电压直接补偿法是将采样线反送回的实际桥压信号与供桥电压源的基准电压进行比
较，通过误差放大器控制调整管，使加到传感器测量桥路上的电压保持稳定。
图3是传感器供桥电压源电路，它能产生9V 的直流供桥电压，并能自动补偿导线对供桥电压的影响。IC1是高精度基准电压源，采用了美国NS 公司的精密参考源LM129，其基准电压值为6.9V ，温度系数仅为10ppm ／℃，电压漂移小于20ppm ，噪声电压仅为20ìV 。它决定着整个供桥电压的稳定性。IC2将IC1产生的基准电压缓冲变成精密恒流源，在R 5、R 6、R 7上流过稳定的电流，这一电流大小为
I L =V R /R 7 (2)
误差放大器IC3的同相输入端接到电位器R 6的滑动触点N 上，N 点电压由R 6、R 7和I L 决定，故
7
7676)()(R R R V I R R U R L
N +=⋅+= (3)
当电流回路导线阻抗受环境温度影响发生变化，或由于其它原因，使加到传感器的实际桥压发生变化时，电压回路采样线如实将此反馈回IC3的反相输入端，与基准电压比较后，通过IC3改变调整管VT1的基极电压，使加到传感器的电压与U N 相等，并且始终稳定不变。由此可见，这种补偿方法能保证传感器桥路电压不受电流回路的影响，且其稳定性仅与基准参考电压源有关。
当采样线出现断路时，ZD1或ZD2导通，使加到传感器上的电压钳位在12.6V ，可防止因调整管失控导致传感器上的电压过高，使应变片发热造成传感器损坏。如有必要可用R ６微调桥路电压大小。
２．２比率补偿法
这种方法与供桥电压直接补偿法不同，它不是直接对供桥电压进行补偿，而是通过电路进行比率运算，消除桥压对测量结果的影响。在采用A/D 变换技术的测量电路中，应用比率法不仅能有效的消除桥压变化对测量结果的影响，而且在电路上也非常简单。
A/D 变换器输出的数字量大小可表示为
REF i i V D U D /max ⋅= (4)
其中V REF 为A/D 变换器的参考电压，D max
为A/D 变换器满度输出数字量，U i 为输入模拟电压量。如果参考电压V REF 是从采样线反馈回的桥压中分压获得，则有
E k V RE
F ⋅= (5)
k 为分压系数，传感器输出信号由(1)式决定，经放大器放大A 倍后送入A/D 变换器。即
C
P E S A U A U i /⋅⋅⋅=⋅= (6)
将(5)和(6)式代入(4)式可得
)/(max C K D P A S D i ⋅⋅⋅⋅= (7)
由(7)式可以看出，A/D 转换后的数字量与桥压E 无关，从而消除了桥压变化对测量结果的影响。
图4是这种补偿方法的具体电路。其优点是供桥电压源的稳定性和精度要求不高，线路简单。
图３ 供桥电压直接补偿法线路图
当桥压信号由于某种原因发生波动或变化时，采样线反馈回来的桥压信号经过缓冲后使加到A/D变换器上的基准电压也随之发生变化。同时加到A/D变换器模拟量输入端V IN的传感器测量信号也随桥压成正比例变化。由于A/D变换器输入的模拟量与参考电压间的比率运算关系，得到的数字量测量结果，如(7)式中所示，不受桥压变化的影响，从而消除了桥压回路中导线阻抗的影响，并在一定程度降低了对桥路供电电源稳定性和精度的要求。
这种补偿方式的测量线路，一旦采样反馈回路出现断路，由于A/D变换器没有正常的参考电压，则A/D变换器不能正常工作。所以在处理故障时，应先检查采样反馈回路是否正常，然后再进一步检查测量仪表或线路本身。
３两种补偿方法的比较
供桥电压直接补偿法能提供稳定、准确的供桥电压，其适用范围广，但线路较复杂，对元器件的性能要求较高，其稳定性主要由基准电压源决定。因此，选择性能良好的基准参考源是关键。可以选用LM129、LM199、LM399等作基准电压源。在要求不高的情况下，为降低成本可选用经过老化筛选的国产2DW234等硅温度补偿稳压管，但不能使用普通稳压管。
比率法只适用于采用比率法的测量线路。比率法的供桥电压源线路简单，对元器件性能要求低，有利于降低生产成本。
参考文献
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图４ 比率补偿法原理线路图
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