阅读说明：本技术 一种基于惠斯登桥的微弱信号抗干扰检测的处理方法及装置 (Wheatstone bridge-based weak signal anti-interference detection processing method and device ) 是由 蔡波 朱玉玉 王学渊 于 2019-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于惠斯登桥的微弱信号抗干扰检测的处理方法及装置。该方法采用多个传感器元件构成惠斯登电桥,产生一个直流信号UI加载到A、C两端以驱动惠斯登电桥,利用惠斯登电桥探测微弱信号并将其转换为电信号,得到从B、D输出的电压信号；将差分信号由跟随放大器A1、A2放大后,由门电路以一个固定频率控制信号,前置放大、滤波后的输出信号F、E经切换输出、方波转正弦波电路后到差分放大器A3,将信号转换成具有固定频率输出的正弦信号,信号的输出幅度通过固定放大倍数的差分放大器确定。该方法简单易行,输出信号在原始幅度的基础上得到一定程度放大,固定频率的切换使输出信号固定在此频率上,从而使后续锁相放大检测能够有效消除噪声对信号的干扰。(The invention discloses a Wheatstone bridge-based weak signal anti-interference detection processing method and device. The method adopts a plurality of sensor elements to form a Wheatstone bridge, generates a direct current signal UI which is loaded to the two ends of A, C to drive the Wheatstone bridge, and detects a weak signal by the Wheatstone bridge and converts the weak signal into an electric signal to obtain a voltage signal output from B, D; after the differential signal is amplified by following amplifiers A1 and A2, a gate circuit controls the signal with a fixed frequency, the output signal F, E after pre-amplification and filtration is switched to be output and is converted into a sinusoidal signal with fixed frequency output after passing through a square wave to sine wave circuit to the differential amplifier A3, and the output amplitude of the signal is determined by the differential amplifier with fixed amplification factor. The method is simple and easy to implement, the output signal is amplified to a certain degree on the basis of the original amplitude, and the output signal is fixed on the frequency by switching the fixed frequency, so that the interference of noise on the signal can be effectively eliminated by subsequent phase-locked amplification detection.)

一种基于惠斯登桥的微弱信号抗干扰检测的处理方法及装置

技术领域

本发明涉及惠斯登电桥检测电路，尤其涉及一种基于惠斯登电桥检测电路的抗干扰特性提高的方法及系统。

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，电桥在检测技术中配合传感器电路使用，有直流电桥和交流电桥两大类，电桥的输入端加载直流电源，则是直流电路，直流电桥的桥臂原件是电阻；电路输入端加载交流信号时，电桥称为交流电桥，交流电桥的桥臂元件可以是电阻、电感和电容。以直流电桥为例，其原理图如图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,c端输入直流电源U_I，电桥b,d端取输出信号。当电桥输出端阻抗很高的时候，电桥输出端相当于开路状态，其输出电压为

（1）

即有

（2）

有上式可知，要使电桥处于平衡状态，即输出电压为零，则

（3）

如果电桥输出端与内阻为Rg电流计相连，由戴维南定理，任何一个有源两端网络，都可以用一个恒定电动势Uol和一个电阻Rg和R0串联的等效电路来代替。因此可以简化电路为如图2所示电路。可得原网络bd两端的等效电阻即等效网络电路内阻R0，等于电路的混联电阻

（4）

bd两端的开路电压为

（5）

则电桥的输出电压为

（6）

化简得

（7）

由上式，当时，电桥输出端电压为零，电流计不偏转，电桥处于平衡状态。

当应变片组成的电桥电路中出现噪声时，对桥路输出信号U_o产生干扰，导致对应变量测量不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于惠斯登电桥的抗干扰检测方法及系统，能够提升惠斯登电桥检测及信号传输过程的抗干扰能力、提高信号输出的幅度。

第一方面，本发明实施例提供一种基于惠斯登电桥的抗干扰检测系统，包括：驱动电源、跟随放大电路、信号切换电路、差分放大电路、及切换控制信号产生电路等，其中，

驱动电源用于检测系统和惠斯登电桥的统一供电模块，系统开始检测时，驱动电源开始给惠斯登电桥供电，驱动电桥相应传感器电阻，同时，电桥两输出端输出电压信号。检测电路供电后，跟随放大电路、信号切换电路、差分放大电路及切换控制电路开始工作，电桥输出差分信号被转换为放大的具有固定频率的正弦信号输出；

跟随放大电路由两个跟随放大器组成，分别完成对电桥输出两电压信号进行跟随和放大处理，同时，该模块也实现电桥电路和后续处理电路的隔离，减小后续处理电路对传感器电桥的影响；

切换控制信号产生电路由固定频率石英晶振周期性振荡信号，经过整形等处理后，形成方波控制信号，该控制信号作用于信号切换芯片，从而实现差分放大电路的输入切换控制；

信号切换电路，用于对跟随放大后的信号与差分放大电路的连接转换，当切换控制电路输出为高电平时，跟随放大电路输出的两路信号同差分放大电路的正、负极连通，相反，当切换控制信号为低电平时，切换电路实现连接的切换，使跟随放大电路的两路输出分别同差分放大器的负、正极连通，从而实现差分放大电路输入端信号的按照固定频率切换；

差分放大电路用于对切换芯片输出的以固定频率切换的差分信号进行放大和输出处理，差分放大电路的放大倍数由电桥应变电阻和跟随放大输出信号变化范围确定，为了使输出信号具有较好的抗干扰特性，差分放大电路的放大倍数根据输出信号的最大变化幅度，设置为最大幅度输入条件下，输出幅度为峰-峰值1V。

较佳地，选取桥路与信号处理电路统一供电方式，减小前端信号检测与处理电路的供电复杂性。

较佳地，桥路输出信号直接跟随放大处理，有效的实现了桥路信号与后续检测电路的隔离，减小了检测电路对桥路信号的干扰。

较佳地，所述检测电路输出信号为一固定频率正弦波信号，有利于后续信号二次处理，如锁相放大、相关检测等。

第二方面，本发明实施例提供一种基于惠斯登电桥的抗干扰检测方法，包括：通过切换控制信号及切换芯片实现桥路输出差分信号的交流变换，使信号输出幅度得到有效放大的同时，信号被变换为一固定频率的周期性信号，从信号的前置放大和信号的传输两方面提高了惠斯登桥信号检测的抗干扰特性；

测量被测电桥的电阻变化被跟随放大处理后，信号接入切换芯片进行交流变换；

对切换电路输出的交流变换差分信号进行放大和整形处理，并作为电桥检测电路的输出信号，传输给后续处理电路；

如果所述差分放大电路输出幅度在电桥最大量程范围内大于1V，电路参数需根据电桥实际测量范围进行调整，使其输出电压峰-峰值满足在1V以内，从而保证电路输出信号的稳定性，同时减小后续检测电路的复杂性；

依据切换电路的频率，当输出切换电路的频率不同时，需调整前端电容值大学，或前端加低通滤波电路来实现切换电路输出信号的正弦变换。

较佳地，所述方法还可以包括：

依据处理的切换电路的目的是实现直流信号的交流变换，切换电路输出的信号正弦特性可通过方波信号转正弦波电路来实现桥路输出差分信号的正弦化。

较佳地，差分放大电路在切换电路频率固定的情况下，可设计为带通差分放大电路，从而保证输出信号的正弦特性，带通放大电路的中心频率同切换电路的控制信号频率一致。

本发明实施例提供的一种基于惠斯登电桥的抗干扰检测方法及系统，通过供电模块给电桥驱动信号，同时电路所有模块的供电部分统一使用该供电模块供电；电桥测量信号先有跟随放大电路进行放大隔离和放大处理，从而提高了后续电路的匹配特性和驱动能力；对跟随放大后的信号进行交流变换处理，跟随放大输出的信号为两路直流信号，为了减小传输过程中噪声对信号的干扰，采样固定频率的切换控制电路实现跟随放大输出信号的正反向切换；经切换变换后的输入信号经过电容滤波处理、或低通滤波处理、或方波转正弦波电路后，转换为具有固定频率的正弦交流信号；依据桥路输出信号的最大变化范围即桥路输出信号的最大幅度，和正弦变换后的信号最大幅度确定差分放大电路的放大倍数，从而使输出正弦交流信号的峰-峰值在1V以内变化；差分放大电路在满足放大倍数的条件下可设计成带通放大电路，从而使输出正弦信号相位、波形等更稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有惠斯登电桥基本原理示意图；

图2为电桥驱动电路等效电路示意图；

图3为本实施例的基于惠斯登电桥的抗干扰检测电路示意图；

图4为加入正弦变换后的惠斯登电桥抗干扰检测电路系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

惠斯登电桥检测电路主要包括两大部分：惠斯登电桥桥路驱动部分和桥路输出差分信号检测电路两部分。其中，桥路驱动信号为给惠斯登电桥两输入端加载的电压或电流信号，通常桥驱动输入端加载直流或交流电压/电流信号作为桥路的驱动信号，加载的驱动信号要求具有较高的稳定性，以保证输出差分信号在桥路电阻阻值没有发生变化时，输出差分信号的幅度不出现变化或抖动；信号检测电路包括差分信号的放大和采集，由于桥路输出的差分信号在桥路电阻变化较小时，通常输出差分信号的幅度较小，直接通过输出线路传输桥路输出的差分信号，在传输过程中极易受到外部电磁环境的干扰，从而使得桥路检测信号的不稳定。

为了提高桥路输出信号的抗干扰能力，一方面从信号传输前的处理上进行处理，如对桥路输出差分信号直接进行放大处理，然后送入传输线路；另一方面，在桥路输出端直接对桥路信号进行放大，然后采用电压-时间变换，将电压变化信号直接变换成相应的数字脉冲时间宽度信息，从而提高检测信号的抗干扰特性。

现有的惠斯登电桥检测电路，通常使用直流驱动方式，对桥路输出的差分信号直接通过电缆传输到相应的放大、滤波、及模数转换电路，从而实现桥路变化信号的检测。

图3为本发明的实施例基于惠斯登电桥抗干扰检测系统结构示意图。参见图3，本发明实施例的桥路信号检测系统包括：驱动电源、跟随放大电路、切换控制信号产生电路、信号切换电路、方波正弦波变换电路及差分放大电路，其中，

惠斯登电桥在驱动电源的驱动下，输出差分信号，差分信号的幅度直接反应桥路电阻的变化，即惠斯登电桥相应桥臂阻值的变化；

跟随放大电路实现对桥路输出信号的跟随放大处理，一方面实现后续电路同桥路电路的隔离，另一方面，实现桥路输出信号的放大并提高信号的驱动能力；

切换信号产生电路，用于产生固定频率的切换控制信号，固定频率振荡器正常工作后，其振荡信号经整形后，形成固定频率的方波信号；

切换芯片，用于实现输入信号通路的变换，在固定频率方波信号的控制下，切换芯片根据控制信号电平的变化，改变两路信号的输出通路；

方波正弦波变化模块，用于实现方波信号到正弦波的变换；

差分放大电路，用于实现正弦波的信号的放大和输出，为了保证输出信号的幅度在峰-峰值1V范围内，差分放大电路的放大倍数根据桥路最大测量范围确定。

本实施例中，通过对惠斯登电桥检测电路的抗干扰设计，实现了桥路输出信号的前置放大、信号的正弦变换、及交流放大处理，从惠斯登电桥直接输出差分微弱信号的方式相比。具有如下优点：

（1）通过切换电路实现了惠斯登电路输出直流差分信号的交流变换，从而使输出信号在信号传输过程中，减小了受其它频率信号的干扰，后续通过锁相放大处理能够较好的消除信号传输过程中的其它频率干扰信号；

（2）差分放大输出的正弦信号，其幅度在惠斯登电桥输出信号的基础上有了较大提高，使信号在传输过程中具有较高的信噪比，同时在信号幅度上具有较好的抗干扰能力；

（3）高精度石英晶体振荡器，保证了检测电路输出信号的频率稳定性，同时，信号输出线路无需传输频率参考信号，只需在后续信号检测端使用同样频率的振荡器便可产生相同频率的参考信号；

（4）单一频率的正弦信号的传输，简化了桥路信号的输出结构，后续检测及锁相放大电路，只需使用电容隔离后直接进行锁相放大和其它变化处理；

（5）置于桥路端的跟随放大电路，避免了桥路输出信号的长距离传输，从而避免了噪声对桥路输出原始信号的干扰，同时该电路模块也保证了电桥电路同检测电路的隔离。

图4为本发明的实施例二基于惠斯登电桥的抗干扰检测方法流程示意图。如图4所示，该流程包括：

步骤401，驱动电源开始供电，分别给惠斯登电桥和检测电路供电，等待电桥及检测电路稳定工作；

步骤402，电桥输出两路信号接入跟随放大电路进行放大处理，同时实现电桥电路信号与检测电路的隔离和匹配；

步骤403，固定频率振荡器电路产生方波控制信号，输出到信号切换电路，实现对跟随放大输出信号的切换控制；

步骤404，切换芯片在固定频率方波控制信号控制下，实现信号通路的切换，并输出给方波至正弦波变化电路；

步骤405，正弦变换后的信号连接至差分放大电路，实现正弦信号的幅度变化，保证电桥输出正弦波峰-峰值为1V以内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。