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摘 要：为准确测得流量计中的流量信号,设计半桥双臂惠斯通转换电路,此电路能适合远距离传输4-20mA标准电流传送信号.且能在电桥部分考虑硬件非线性补偿,在数据处理阶段也能进行非线性补偿,还可以起到温度补偿的作用.在解决实际阻值和理论值存在差距导致惠斯通电桥在零输入的状态下输出不为零时,电桥中采用了多圈可调电位器.实现对电压信号进行放大、滤波处理,并且通过调零,获得更加准确的流量信号.最后经标定平台对变送器转换后信号的标定,实验结果表明流量计的精度能达到工业等级1.5级.
关键词：流量计；信号变送器；惠斯通电桥；传感器
中图分类号：S776
文献标识码：A
文章编号：1001-005x（2015）05-0072-06
流量信号数据采集系统主要分为信号传送和信号接收处理两部分,其中信号传送部分包括变送器,所设计的变送器位于每户的供热管路上,而信号接收处理部分则位于楼道母表内.整体系统如图1所示.
目前,应变式传感器已成为应用最为广泛和最为成熟的传感器.在流量计的设计过程中,采用了电阻应变式传感器.而没采用压电式传感器的原因是因为压电材料要在交变力的作用下才能给测量电路一定大小的电流,这种工作机理适应于测量动态振荡力、碰撞和高速压缩/张力；而流量计的流质流动平稳,不能对传感器施加交变力.
电阻应变式传感器转换的基本原理如图2所示.
1 电阻应变式传感器的设计
电阻应变式传感器的弹性敏感元件是直接感受被测量的,并以确切关系输出物理量的器件,在文献中已经给出了流量计力检测敏感元件的3种不同方案.
1.1 转换元件
电阻应变式传感器的转换元件应变计是通过感受弹性体表面应变的变化使自身电阻发生变化,因此应变计的“输出”其实是电阻.将应变计按电桥结构连接,将电阻的变化转变为电压的变化时,应变计在电阻式应变传感器中起承上启下的作用.
应变计是基于应变效应制作的转换元件.应变效应是指应变计的电阻值随着其发生变形而产生改变的现象.
应变计一般由塑料薄膜（基盘）、金属电阻片（敏感栅）和迭层薄膜（覆盖层）组成,如图3所示.
经过对比不同型号应变计之间的差异,最终择优选择了HBM公司生产的K-LY41-3/1000型应变片,该应变片的参数见表1.
应变计的粘贴对其工作性能有着十分重要的影响,在选用粘合剂时应考虑到粘合剂应具有：较大的粘接强度、较好的温度和湿度稳定性、良好的耐疲劳性能、较小的蠕变和滞后性以及无毒无害等特点.经过对比各种粘接剂,最后选择改性丙烯酸酯作为应变计的粘接剂.
1.2 基本转换电路
惠斯通电桥由4个电阻R1、R2、R3和R4组成.a和b为输入端,两点之间的电压为E；c和d为输出端,根据电工学原理,c和d两点之间的电压U可由公式（1）算得：（如图4所示）
从公式（1）可以看出,若要使输出电压U为零,则4个电阻必须满足一定的数学关系,即：
一般地,惠斯通电桥做成等臂形式,即R1等于R3等于R2等于R4等于R.由公式（1）可以看出,若4个电阻之一发生变化,平衡状态下的电桥就变得不平衡了,输出电压U不再为零.设各个电阻均有变化,则电桥输出为：
（1）惠斯通电桥输出.当电阻变化较小时,即△Ri《R,则公式（3）可以转变为：
对于应变计,存在式中：K为应变片的灵敏系数；εi为各个应变计的应变.
结合公式（4）和公式（5）,则有：
惠斯通电桥根据参和工作的桥臂数分为半桥和全桥两大类,其中半桥又可分为半桥单臂和半桥双臂.
半桥单臂,即R2为应变片,其他为固定电阻,则公式（6）可以写为：
半桥双臂,即R1、R2为应变片,其他为固定电阻,此时应取ε1和ε2反向,则公式（6）可以写为：
全桥,即各个电阻均为应变片,且遵循变化符号相反的电阻联入相邻臂中、电阻变化相同的联入相对臂中的规律,则公式（6）可以写为：
在△Ri《R的条件下,从公式（7）-公式（9）可以看出,惠斯通电桥的输出和应变计所受的应变成正比.不同接法下,电桥的灵敏度不一样,半桥双臂是半桥单臂的两倍,全桥是半桥双臂的两倍.另外激励电压也对惠斯通电桥的灵敏度产生一定的影响.在搭建基本转换电路时,电桥灵敏度是一个重要的参数,一般地,尽量选择较高的灵敏度传感器.
（2）惠斯通电桥的非线性误差.在小应变下应变片的线性度较好,但随着应变的增加,应变片阻值的变化和电桥的输出并不成完全的线性关系.为了解决存在的非线性问题,需要对传感器进行非线性补偿.非线性补偿方法分为两类：硬件补偿和软件补偿.由于惠斯通电桥的信号极其微弱,导致后接的放大电路放大倍数极大,同时也就导致了非线性误差被放大.所以在电桥部分就要考虑做硬件非线性补偿,最后在数据处理阶段也进行非线性补偿,这样就能获得更加真实、准确的流量数据.
在公式（3）的推导过程中,假设△Ri《R,从而舍弃了高阶增量.若考虑高阶增量,在半桥单臂情况下,惠斯通电桥的实际输出为：
将公式（5）代入上式有：
则非线性误差为：
在半桥双臂情况下,由于△R1等于-△R2,则实际输出为：
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参考文献：
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