LOG104在Wheatston應變測量橋路中的應用

等值跟隨Wheatston應變電橋輸出變化

對橋源失調(diào)電壓為 的應變電橋，經(jīng)過上述處理后進入對數(shù)運算電路的電流量為

其中I₁為理想電流值，為失調(diào)電流系數(shù)。

此時，對數(shù)運算電路LOG104的輸出為

其中，對于具有確定參數(shù)和橋壓值的應變電橋有，代入式（16）得

將式（12）代入式（17）中

這里，由于，代入式（18）中

由式（19）可知，應變電橋輸出信號經(jīng)對數(shù)運算后得到的輸出函數(shù)與應變值成單值函數(shù)關系，與電阻R₃、R₄值無關。只要確定I₁、I₂的輸入范圍，對數(shù)方程即可確定。這里，由于I₁、I₂的輸入范圍為100nA～100μA，C值調(diào)整為0.5V，則對數(shù)運算放大器的輸出為

這個輸出關系的曲線仿真圖，如圖3所示。

圖3 LOG104輸出電壓與應變測量值關系

從中可以看到，對于應變電橋的應變范圍為1μm/m～1000μm/m時，輸出電壓范圍為＋1.5V～0V。從中可以看到，一個微應變可以產(chǎn)生的最小輸出電壓（從第999個微應變到第1000變化時）為0.22mV，最大輸出電壓（從第1個微應變到第2個微應變變化時）0.15V，可見此設計在小應變時電路的靈敏度遠遠高于大應變時電路的靈敏度。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：上述設計直接將橋源輸入設定為LOG104的上限參考值，使得測量結果由小到大逐漸逼近參考電流，由于輸出函數(shù)為衰減率漸小的對數(shù)函數(shù)，所以導致上述現(xiàn)象的發(fā)生；因此，只要將橋源輸入設定為下限參考值（通過增大R1電阻阻值實現(xiàn)），使測量結果遠離此參考電流，既可使大測量范圍時的電路靈敏度得到提高。

通過這個現(xiàn)象，可以實現(xiàn)靈敏度區(qū)間要求不同的測量電路設計：對小應變區(qū)間靈敏度要求高時，采取上限設定參考；對大應變區(qū)間靈敏度要求高時，采取下限設定參考。這樣，測量電路就會取得意想不到的輸出效果。同時，由式（19）可以看出，輸出函數(shù)中不包含橋源的影響項，附加電阻R₃、R₄最終也只是作為設定對數(shù)運算放大器輸入范圍而用，并沒有對輸出造成影響，這樣就實現(xiàn)了橋源誤差的濾除功能。并且，經(jīng)過這種電路處理后，測量電路的很大一部分誤差影響就可在系統(tǒng)標定時作為常量直接從測量結果中剔除，從而使電路設計得到精簡。根據(jù)不同需要，后續(xù)結果可以采用14位以上的ADC芯片處理；也可將測量結果直接進行反對數(shù)運算以達到應用要求。

結論
綜上所述，本文采用對數(shù)電路LOG104濾除了Wheatston應變電橋橋源失調(diào)對測量輸出造成的誤差影響，簡化了補償電路，設計出一種滿足在惡劣工業(yè)環(huán)境應用的應變電橋處理電路，為其它有相似要求的傳感器電路設計提供了可供借鑒的方法。