带有电桥主电阻之间的温度梯度补偿的惠斯登电桥及其在具有应变片的压力传感器中的应用制造技术

一种惠斯登电桥电路，包括四个各自具有基本一样的欧姆数值Ｒ和基本一样数值的电阻温度系数α的主电阻（Ｊ↓［１］－Ｊ↓［４］），惠斯登电桥的每个桥臂中放置一个主电阻，其中惠斯登电桥的每个桥臂包括一个补偿元件与相应的主电阻元件串联，补偿元件（ｒ↓［１］－ｒ↓［４］）各自具有基本一样的欧姆电阻数值ｒ和基本一样的电阻温度系数β，这些数值与主电阻元件的那些数值的关系基本符合公式： Ｒα＝ｒβ 并且每个主电阻元件与惠斯登电桥的一个相邻桥臂的补偿元件共享其热环境，其特征在于ｒ＜Ｒ并且最好是ｒ／Ｒ≤１／２。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种“惠斯登电桥”式电路，尤其涉及一种在其中自动补偿存在于电桥桥臂之间的温度差的电路。惠斯登桥式电路是众所周知的。用在许多不同的用途中产生一个输出电压，输出电压的变化表示桥臂之间存在的不平衡及其量的大小。通常，这种形式的电路用来检测由于主参数相对于参考数值的变化引起的不平衡或者用来检测由于对电路的不同桥臂中的相应电阻具有不同影响的现象引起的不平衡。显然，最好是电路的工作性能不受其他参数或现象例如环境温度的影响。理论上，在经典的惠斯登电桥例如附图说明图1所示电桥的情形，输出电压Us随电桥的电阻R1-R4和电源电压UA的变化符合下面的方程(1)US=UAR1R2-R3R4(R1+R3)(R2+R4)---(1)]]>实际上，元件R1-R4的电阻在温度系数不能忽略时都根据环境温度和电阻温度系数(TCR)α的一个函数变化。如果每个元件Ri的温度与参考温度之间的偏差为θi，则理论方程(1)变为下面的方程(2)US=UAR1(1+αθ1)R2(1+αθ2)-R3(1+αθ3)R4(1+αθ4)(R1(1+αθ1)+R3(1+αθ3))(R2(1+αθ2)+R4(1+αθ4))---(2)]]>在方程(2)和后面的方程中，电阻的温度系数α均视为惠斯登电桥的四个元件一样。实际上，通过选择电桥元件使得这一简化近似正确是相当简单的。在惠斯登电桥的四个元件Ri均处于同一温度且电源电压固定不变的情形，假定αθ＜＜1，方程(2)被简化并变得与方程(1)一样。因此，在这一情形，环境温度几乎不影响惠斯登电桥的工作性能。(但是，由于例如说存在温差的机械支撑的形变可能会有一个残余的温度影响。)在惠斯登电桥的元件Ri不都处于同一温度的情形，方程(2)保留其数值随元件Ri的局部温度变化的某些项。这一影响侵害了使用该电路所进行的测量的精度。惠斯登电桥原理的用途之一是用在使用应变片的压力传感器领域。这样一种压力传感器的典型结构大略示于图2，其中图2(a)指出传感器中应变片的物理布局，图2(b)示出相应的电路。在图2(a)的传感器中，四个应变片J1-J4都放置在一个可变形的膜片上，两个应变片J1、J2在膜片的中央区域，另两个应变片J3、J4则靠近膜片的周边区域。应变片在给定的温度和参考压力下各自都具有同一样的电阻R。在应变片J1-J4和电源以及输出端子之间设有电连接线(未示出)，以形成图2(b)所示的惠斯登电桥电路。在这种压力传感器中，膜片因在图2(a)所示箭头方向的外加压力作用下向外弯曲而变形。由于拉伸而在膜片的中央部分产生的应变使得应变片J1和J2的电阻增加+ΔR，与此同时，膜片周边区域产生的压缩应变则使得J3和J4的电阻下降-ΔR。假如所有的应变片都处于同一温度下，这些电阻的变化将按照下面的方程(3)影响惠斯登电桥的输出电压US=UAΔRR---(3)]]>这个简单的关系式使得能够算出电阻的变化并由此算出加于传感器膜片上的压力。但是，如果在传感器的应变片J1-J4之间存在一个温度梯度，则需应用下面更复杂的方程(4)US=UA(R+ΔR)(1+αθ1)(R+ΔR)(1+αθ2)-(R-ΔR)(1+αθ3)(R-ΔR)(1+αθ4)((R+ΔR)(1+αθ1)+(R-ΔR)(1+αθ2))((R+ΔR)(1+αθ3)+(R-ΔR)(1+αθ4))---(4)]]>显然，这样一个依赖于各个应变片的温度的复杂关系式不可能通过传感器作出精确的压力测量。文献DE-U-8815056叙述了一种用惠斯登桥式电路的主电阻构成的具有应变片的负载传感器。在惠斯登电桥的每一桥臂中都有一个辅助电阻与主电阻串联连接。全部主电阻和全部辅助电阻均具有同一样的电阻温度系数和同一样的电阻欧姆数值。在这一已知的电路中，每个辅助电阻实际上放在另一桥臂的主电阻邻近，使得因电桥的主电阻之间存在温度梯度产生的影响被辅助电阻中产生的影响所补偿。这样一来，存在这种温度梯度就不致影响惠斯登电桥的输出信号。但是，在文献DE-U-8815056的惠斯登电桥中实行的这种补偿导致了显著损失这种传感器的灵敏度。尤其是传感器对惠斯登电桥中发生的电阻变化的灵敏度降低了一半。考虑到上面所述的问题，本专利技术试图提供一种由TCR不是接近于可以忽略的零值的电阻构成的惠斯登桥式电路。其输出电压对存在于这些电阻之间的温度差不敏感，同时限制电路输出信号对电桥中发生的电阻变化的灵敏度的损失。本专利技术还试图提供一种包含有惠斯登桥式电路的传感器，电桥由TCR不可忽略的电阻构成并且其中电阻变化对应于被测量的参数变化，以一种能保持住传感器灵敏度的方式把传感器做得对存在于这些电阻之间的温度差不敏感。为了克服上述问题，本专利技术提供一种惠斯登桥式电路，包括四个各自具有基本一样的电阻欧姆数值R和基本一样数值的电阻温度系数α的主电阻元件，惠斯登电桥的每一个桥臂中放置一个主电阻元件，其中惠斯登电桥的每一桥臂包括一个与相应的主电阻元件串联的补偿元件，补偿元件各自具有基本一样的电阻欧姆数值r和基本一样的电阻温度系数β，这些数值与主电阻元件的那些数值的关系基本符合公式Rα＝rβ并且每个主电阻元件都与惠斯登电桥的一个相邻桥臂的补偿元件共享其热环境，其特征在于r＜R，最好是 在本专利技术的优选实施例中，主电阻元件和补偿元件用两种不同的金属制造。在根据本专利技术的惠斯登桥式电路中，桥臂之间的温度差对输出电压的影响由于补偿电阻各自安装在电桥一个桥臂的主电阻的热环境中但与电桥相邻桥臂的主电阻串联连接而消除了。通过使用具有比主电阻元件小的电阻欧姆数值的补偿元件，因引入这些补偿元件而造成的惠斯登电桥的灵敏度损失降低了。惠斯登电桥灵敏度损失的显著降低是在补偿元件的电阻欧姆数值r选择得等于主电阻元件的电阻欧姆数值R的一半的情形下获得的。在这种情形下，惠斯登电桥的灵敏度仅降低25％。但是，最好使用具有符合关系式r/R＜1/10的电阻欧姆数值的补偿元件，以维持灵敏度损失在5％以下，从而可以认为忽略不计。鉴于在根据本专利技术的电路中必须考虑关系式Rα＝rβ这一事实，使用具有降低了的电阻欧姆数值的补偿元件与选择具有高电阻温度系数β的金属制造这些补偿元件有密切关系。关于这一点，用镍制作的补偿元件(β＝4×10-3/℃)特别适合。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：让波那德·埃威斯，让那·奇龙，
申请(专利权)人：航空发动机的结构和研究公司，
类型：发明
国别省市：