[發(fā)明專利]改型惠斯通半橋電路及傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410164791.1
• 申請(qǐng)日: 2014-04-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103901365B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉友忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 葉友忠
• 主分類號(hào): G01R33/09
• 分類號(hào): G01R33/09
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司32103
• 代理人: 陶海鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種傳感電路，具體涉及一種惠斯通半橋電路的改進(jìn)，以及采用該電路的傳感器，用于微弱信號(hào)場(chǎng)精密檢測(cè)。

背景技術(shù)

傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通、航天航空、金融、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、及智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、互動(dòng)游戲等各個(gè)領(lǐng)域。

隨著傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的迅速發(fā)展，迫切需要提高傳感器檢測(cè)微弱信號(hào)場(chǎng)的能力、檢測(cè)的穩(wěn)定性和降低成本,?而抑制噪聲等外界干擾是提高上述性能指標(biāo)的關(guān)鍵因素。

惠斯通電橋是一種常見(jiàn)的傳感器電路，檢測(cè)信號(hào)對(duì)電阻施加影響，例如根據(jù)檢測(cè)對(duì)象采用磁敏電阻、壓敏電阻、熱敏電阻等，改變電橋中的電阻阻值，以此檢測(cè)信號(hào)。通常使用抑制噪聲的方法為采用傳統(tǒng)的惠斯通半橋或全橋電路,然而傳統(tǒng)的惠斯通電橋電路要求電橋各個(gè)電阻的阻值完全一致。?但在現(xiàn)實(shí)中,?一旦由于批量生產(chǎn)工藝重復(fù)性問(wèn)題以及在有偏置場(chǎng)時(shí)造成電阻阻值不完全相同時(shí)，其抑制噪聲能力將大打折扣。就目前工業(yè)界大規(guī)模生產(chǎn)水平，就算要百分百實(shí)現(xiàn)電阻阻值的不對(duì)稱性小于+/-1%都具有一定挑戰(zhàn)性。?因此，往往還必須借助于各種信號(hào)濾波電路去濾除具有特定頻率的噪聲。

圖1示意了一種使用傳統(tǒng)的惠斯通半橋電路的傳感器示意圖。如圖1所示，在基板1上，由兩個(gè)電阻與導(dǎo)線組成了惠斯通半橋電路，其中，一個(gè)電阻5的阻值為R1，另一個(gè)電阻4的阻值為R2。兩個(gè)電阻間經(jīng)第一導(dǎo)線6構(gòu)成電連接，電阻5的另一端設(shè)有第二導(dǎo)線2，電阻4的另一端設(shè)有第三導(dǎo)線3。

兩個(gè)電阻的阻值分別為，

R1=R0-Rw+R1s+R1n????????????????????????????????(1)

R2=R0+Rw+R2s+R2n????????????????????????????????(2)

其中零場(chǎng)電阻R0為零場(chǎng)時(shí)的電阻R1和R2的平均電阻值；不對(duì)稱性電阻Rw為零場(chǎng)時(shí)電阻R1與R2阻值之差的二分之一；電阻不對(duì)稱性定義為Rw/R0，通常遠(yuǎn)小于1；信號(hào)電阻R1s與R2s分別為電阻R1與R2因信號(hào)場(chǎng)所導(dǎo)致的電阻值的變化；噪聲電阻R1n與R2n分別為R1與R2因噪聲所導(dǎo)致的電阻值的變化。?

在檢測(cè)局部信號(hào)場(chǎng)時(shí)，來(lái)自外界的噪聲場(chǎng)梯度遠(yuǎn)小于被檢測(cè)的信號(hào)場(chǎng)梯度。當(dāng)電阻R1與R2間距遠(yuǎn)小于噪聲場(chǎng)變化距離時(shí)，可以近似表達(dá)噪聲電阻為?R1n=R2n=Rn。

在對(duì)半橋電路施加偏置電壓Vin時(shí),輸出電壓Vout為

Vout=Vin×R2/(R1+R2)

=?0.5Vin×[1+(Rw-(R1s-?R2s)/2)/[R0+(R1s+R2s)/2+Rn]]?(3)

在無(wú)信號(hào)輸入時(shí),?噪聲所導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為

Vn=0.5Vin×[1+(Rw/R0)/(1+(Rn/R0)]?????????????????(4)

當(dāng)有偏置場(chǎng)時(shí),?噪聲導(dǎo)致的輸出電壓變化Vn為

Vn=0.5Vin×[1+(Rwb/Rb)/(1+(Rn/Rb)]????????????????(5)

其中,?偏置電阻Rb=R0+dRb，dRb為偏置場(chǎng)所導(dǎo)致的電阻值的變化；Rwb=Rw+dRwb，dRwb為在偏置場(chǎng)下R1與R2的電阻值差值的二分之一。在恒定偏置場(chǎng)下，Rwb/Rb=Rw/R0；在梯度偏置場(chǎng)下，通常Rwb/Rb>Rw/R0。

顯然,兩個(gè)半橋電阻阻值的不對(duì)稱性Rw導(dǎo)致了輸出信號(hào)中的噪聲響應(yīng)，降低該不對(duì)稱性(Rw/R0)有助于抑制噪聲。然而，減小電阻不一致性受到生產(chǎn)工藝和裝配能力的限制。

施加偏置磁場(chǎng)可激勵(lì)磁信號(hào)而大幅提高信號(hào)強(qiáng)度，有利于提高信噪比。但是，非恒定的梯度偏置磁場(chǎng)會(huì)大幅增加電阻不對(duì)稱性(Rw/R0)。?此外，盡管可以采用大偏置場(chǎng)有利于通過(guò)(Rw/Rb)降低不對(duì)稱性，?偏置場(chǎng)大小受到不能過(guò)量偏置而導(dǎo)致磁阻飽和的限制。

因此，單靠傳統(tǒng)半橋的一階項(xiàng)[(Rw/R0)/(1+(Rn/Rb)]來(lái)衰減噪聲的效果有限。?

圖2示意了噪聲對(duì)一個(gè)使用傳統(tǒng)的惠斯通半橋電路的磁傳感器輸出信號(hào)的影響。其設(shè)置為，磁阻為磁阻率200%的隧道磁阻，兩個(gè)隧道磁阻的磁場(chǎng)敏感方向相同，其零場(chǎng)電阻的不對(duì)稱性為+/-1%，無(wú)外加偏置場(chǎng)，一個(gè)恒定的點(diǎn)信號(hào)磁場(chǎng)源由傳感器上方近距離先經(jīng)過(guò)R1再經(jīng)過(guò)R2，信號(hào)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的最大電阻變化為零場(chǎng)電阻的0.002%，并在半橋電路上方用一個(gè)通過(guò)三角函數(shù)電流導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)模擬環(huán)境噪聲干擾。