[发明专利]一种用于六分量天平电桥检测的全数字化变换方法及装置

说明书

本发明公开一种用于六分量天平电桥检测的全数字化变换方法及装置，方法通过驱动模块产生一个充电脉冲信号给外接电容充电，控制开关L1、L2和L3通过逻辑电平，控制U1选择电桥不同的电阻导通形成放电回路，U3的时间测量单元在放电回路导通时，开始时间测量，电容放电到门限电压时，滞回比较器U2开始反转，时间测量单元停止计时。根据得到的放电时间，由U3进行计算并将计算得到电阻值一数字方式传输给后续处理单元；天平六个惠斯登电桥按该方式依次测量，便可得到天平的各分量应变电阻变化情况；该方法简单易行，模块体积小、测量精度高，可直接置于天平内部，其输出数字信号具有较强的抗干扰能力，提高了天平在不同使用环境适应能力。

技术领域

本发明涉及惠斯登电桥检测电路，尤其涉及一种用于六分量天平电桥检测的全数字化变换方法及装置。

背景技术

电桥是把电阻、电感和电容等元件参数转换成电压或者电流的一种测量电路。这种电路简单、精度高、灵敏度高，广泛运用于检测电路中。电阻应变片应变的非电量转换成电量，就是通过电桥将电阻变化转换成电压的变化，然后通过测量电桥输出电压的变化来实现应变量的检测。由于应变电阻变化量较小，在检测过程中常受到噪声的干扰，使得检测过程中，抗干扰处理成为电桥信号检测电路中尤为重要的设计要求。

目前，针对电阻型应变膜组成的电桥，其结构如图1所示，电桥的四个臂有电阻R1、R2、R3、R4四个电阻组成，电桥A、B端接驱动信号，电桥C、D端取输出信号。由于电桥取出信号端通常输出电压差较小，该信号经过较长的传输线时，容易引起受到系统及环境噪声的干扰。为了避免电桥电路输出压差信号受到干扰，直接数字变换测量方测量法在近些年被广泛关注和研究，其主要处理方式有：一是在原有电桥电路直流驱动的基础上，通过控制开关等逻辑控制和放大模块，直接对电桥取出端电压信号进行放大后，通过积分电路进行积分，并通过计数器等时间计算单元，得到电桥电路在逻辑控制下的输出电压信号同积分时间之间的关系，并将计数器等时间测量单元得到的积分时间以数字形式发送到外部信号采集模块；另一种为直接对桥臂电阻进行充放电时间测量，其测量基本方法为，通过一个固定电容同不同桥臂电阻构成重放电回路，并计算各桥臂电阻的重放电时间，从而得到相应的桥臂电阻的阻值及其变化情况。两种测量方法的充放电时间曲线及基本原理如图2所示。

直接桥臂电阻阻值测量方法中，当桥臂电阻与放电电容形成放大回路后，电路形成RC电路，假设V0为电容上初始电压值，V1为电容最终可充到后放到的电压值，则：

V_t＝V0+(V1-V0)×(1-e^-t/RC) (1)

其中，V0为充电开始时电容电压，V1为充电结束时电容电压，C为充放电电容，R为与电容形成回路的电阻。

当电容上电压充到Vt为电源电压的V_H时，则：

系统测量时间为桥臂电阻同电容形成回路后，测量其加载电压后到放电结束的时间，假设放电结束的条件电压为V_L，则：

则总的电容和桥臂电阻形成的回路充放电时间为：T＝t₁+t₂，通过式(2)、(4)得到的桥臂电阻充放电时间T1、T2、T3、T4，利用电桥桥臂上有参考电阻或外界参考电阻，则可通过得到的时间直接计算出对应桥臂电阻及其阻值变化情况。

基于上述基本桥臂电阻测量基本原理，不同的测量模型及方法主要集中在对电容充放电时间控制及时间测量开始于结束时间对应的电压阈值上进行的研究和实验。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种用于六分量天平电桥检测的全数字化变换方法及装置，能够实现六分量天平信号检测的数字化变化检测，提高信号传输过程的抗干扰能力。