微小电阻变化的测量电路需求

微小电阻变化的测量电路需求

微小电阻变化的测量电路需求

定义

在电阻式传感器（如金属应变片、热电阻）中，被测物理量（应变、温度）引起的电阻变化相对较小，通常相对变化量 $\Delta R/R$ 在 ${10}^{-6}$ 到 ${10}^{-3}$ 量级。直接使用万用表或普通电阻测量方法无法分辨如此微小的变化，必须借助专用测量电路将电阻变化转换为电压或电流信号并进行放大。

作用

• 转换与放大：将微小的电阻变化转换为较大的电压变化，便于后续信号处理。
• 消除共模干扰：通过对称电路结构（如差动电桥）抵消温度等共模影响。
• 线性化：在微小变化范围内，保证输出与电阻变化呈近似线性关系。

工程理解

最常用的测量电路是惠斯通电桥。以直流单臂电桥为例，当四个桥臂电阻满足平衡条件时，电桥输出为零。若一个桥臂为传感器电阻 $R+\Delta R$，其余为固定电阻 $R$，则电桥输出电压为：

其中 $E$ 为电源电压。可见输出电压与相对电阻变化成正比，但比例系数为 $E/4$，数值很小（例如 $E=5V$，$\Delta R/R=0.001$ 时，$U_o=1.25mV$），因此必须后接高增益差动放大器。

为了进一步提高灵敏度和抑制共模干扰，常采用差动电桥（半桥或全桥）和仪表放大器。此外，还需考虑：

• 温度补偿：使用同一材料的非应变片作为补偿臂。
• 非线性误差：当 $\Delta R$ 较大时，电桥输出会引入非线性，可通过恒流源供电或数字校正等方法改善。
• 激励电源稳定性：电压波动直接影响输出，需用高精度稳压源。

综上所述，微小电阻变化的测量电路需求可归纳为：高灵敏度、高共模抑制比、低噪声、线性输出及温度稳定性。