带有电桥主电阻之间的温度梯 度补偿的惠斯登电桥及其在具 有应变片的压力传感器中的应用 本发明涉及一种“惠斯登电桥”式电路，尤其涉及一种在其中自动补偿存在于电桥桥臂之间的温度差地电路。
惠斯登桥式电路是众所周知的。用在许多不同的用途中产生一个输出电压，输出电压的变化表示桥臂之间存在的不平衡及其量的大小。通常，这种形式的电路用来检测由于主参数相对于参考数值的变化引起的不平衡或者用来检测由于对电路的不同桥臂中的相应电阻具有不同影响的现象引起的不平衡。显然，最好是电路的工作性能不受其他参数或现象例如环境温度的影响。
理论上，在经典的惠斯登电桥例如图1所示电桥的情形，输出电压Us随电桥的电阻R1-R4和电源电压UA的变化符合下面的方程(1)：US=UAR1R2-R3R4(R1+R3)(R2+R4)---(1)]]>
实际上，元件R1-R4的电阻在温度系数不能忽略时都根据环境温度和电阻温度系数(TCR)α的一个函数变化。如果每个元件Ri的温度与参考温度之间的偏差为θi，则理论方程(1)变为下面的方程(2)：US=UAR1(1+αθ1)R2(1+αθ2)-R3(1+αθ3)R4(1+αθ4)(R1(1+αθ1)+R3(1+αθ3))(R2(1+αθ2)+R4(1+αθ4))---(2)]]>在方程(2)和后面的方程中，电阻的温度系数α均视为惠斯登电桥的四个元件一样。实际上，通过选择电桥元件使得这一简化近似正确是相当简单的。
在惠斯登电桥的四个元件Ri均处于同一温度且电源电压固定不变的情形，假定αθ＜＜1，方程(2)被简化并变得与方程(1)一样。因此，在这一情形，环境温度几乎不影响惠斯登电桥的工作性能。(但是，由于例如说存在温差的机械支撑的形变可能会有一个残余的温度影响。)
在惠斯登电桥的元件Ri不都处于同一温度的情形，方程(2)保留其数值随元件Ri的局部温度变化的某些项。这一影响侵害了使用该电路所进行的测量的精度。
惠斯登电桥原理的用途之一是用在使用应变片的压力传感器领域。
这样一种压力传感器的典型结构大略示于图2，其中图2(a)指出传感器中应变片的物理布局，图2(b)示出相应的电路。在图2(a)的传感器中，四个应变片J1-J4都放置在一个可变形的膜片上，两个应变片J1、J2在膜片的中央区域，另两个应变片J3、J4则靠近膜片的周边区域。应变片在给定的温度和参考压力下各自都具有同一样的电阻R。在应变片J1-J4和电源以及输出端子之间设有电连接线(未示出)，以形成图2(b)所示的惠斯登电桥电路。
在这种压力传感器中，膜片因在图2(a)所示箭头方向的外加压力作用下向外弯曲而变形。由于拉伸而在膜片的中央部分产生的应变使得应变片J1和J2的电阻增加+ΔR，与此同时，膜片周边区域产生的压缩应变则使得J3和J4的电阻下降-ΔR。假如所有的应变片都处于同一温度下，这些电阻的变化将按照下面的方程(3)影响惠斯登电桥的输出电压：US=UAΔRR---(3)]]>
这个简单的关系式使得能够算出电阻的变化并由此算出加于传感器膜片上的压力。
但是，如果在传感器的应变片J1-J4之间存在一个温度梯度，则需应用下面更复杂的方程(4)：US=UA(R+ΔR)(1+αθ1)(R+ΔR)(1+αθ2)-(R-ΔR)(1+αθ3)(R-ΔR)(1+αθ4)((R+ΔR)(1+αθ1)+(R-ΔR)(1+αθ2))((R+ΔR)(1+αθ3)+(R-ΔR)(1+αθ4))---(4)]]>
显然，这样一个依赖于各个应变片的温度的复杂关系式不可能通过传感器作出精确的压力测量。
文献DE-U-8815056叙述了一种用惠斯登桥式电路的主电阻构成的具有应变片的负载传感器。在惠斯登电桥的每一桥臂中都有一个辅助电阻与主电阻串联连接。全部主电阻和全部辅助电阻均具有同一样的电阻温度系数和同一样的电阻欧姆数值。
在这一已知的电路中，每个辅助电阻实际上放在另一桥臂的主电阻邻近，使得因电桥的主电阻之间存在温度梯度产生的影响被辅助电阻中产生的影响所补偿。这样一来，存在这种温度梯度就不致影响惠斯登电桥的输出信号。但是，在文献DE-U-8815056的惠斯登电桥中实行的这种补偿导致了显著损失这种传感器的灵敏度。尤其是传感器对惠斯登电桥中发生的电阻变化的灵敏度降低了一半。
考虑到上面所述的问题，本发明试图提供一种由TCR不是接近于可以忽略的零值的电阻构成的惠斯登桥式电路。其输出电压对存在于这些电阻之间的温度差不敏感，同时限制电路输出信号对电桥中发生的电阻变化的灵敏度的损失。
本发明还试图提供一种包含有惠斯登桥式电路的传感器，电桥由TCR不可忽略的电阻构成并且其中电阻变化对应于被测量的参数变化，以一种能保持住传感器灵敏度的方式把传感器做得对存在于这些电阻之间的温度差不敏感。
为了克服上述问题，本发明提供一种惠斯登桥式电路，包括四个各自具有基本一样的电阻欧姆数值R和基本一样数值的电阻温度系数α的主电阻元件，惠斯登电桥的每一个桥臂中放置一个主电阻元件，其中惠斯登电桥的每一桥臂包括一个与相应的主电阻元件串联的补偿元件，补偿元件各自具有基本一样的电阻欧姆数值r和基本一样的电阻温度系数β，这些数值与主电阻元件的那些数值的关系基本符合公式：
Rα＝rβ并且每个主电阻元件都与惠斯登电桥的一个相邻桥臂的补偿元件共享其热环境，其特征在于r＜R，最好是
在本发明的优选实施例中，主电阻元件和补偿元件用两种不同的金属制造。
在根据本发明的惠斯登桥式电路中，桥臂之间的温度差对输出电压的影响由于补偿电阻各自安装在电桥一个桥臂的主电阻的热环境中但与电桥相邻桥臂的主电阻串联连接而消除了。通过使用具有比主电阻元件小的电阻欧姆数值的补偿元件，因引入这些补偿元件而造成的惠斯登电桥的灵敏度损失降低了。
惠斯登电桥灵敏度损失的显著降低是在补偿元件的电阻欧姆数值r选择得等于主电阻元件的电阻欧姆数值R的一半的情形下获得的。在这种情形下，惠斯登电桥的灵敏度仅降低25％。但是，最好使用具有符合关系式r/R＜1/10的电阻欧姆数值的补偿元件，以维持灵敏度损失在5％以下，从而可以认为忽略不计。
鉴于在根据本发明的电路中必须考虑关系式Rα＝rβ这一事实，使用具有降低了的电阻欧姆数值的补偿元件与选择具有高电阻温度系数β的金属制造这些补偿元件有密切关系。关于这一点，用镍制作的补偿元件(β＝4×10-3/℃)特别适合。
本发明还提供一种具有应变片和包括这种惠斯登桥式电路的压力传感器，桥式电路包含有补偿元件和构成电桥主电阻的应变片。
这种型式的压力传感器抗由于应变片之间存在温差而引起的对输出电压的干扰，并因为补偿元件的电阻欧姆数值比应变片低的关系，传感器保持着良好的灵敏度。
本发明的其他特性和优点，通过下面参照附图并以例子给出的实施例的叙述将更加易于理解。
图1是一个原理图，示出一种惠斯登桥式电路的典型结构；
图2示出一种具有应变片的压力传感器的结构，其中：
图2(a)指出应变片在简单膜片上的物理布局，以及
图2(b)示出包含有这些应变片的电路；
图3是一个电路图，表示根据本发明一个优选实施例的惠斯登桥式电路；
图4是一个平面视图，示出根据本发明压力传感器的一个例子中通过在膜片上淀积薄膜制出的应变片和补偿电阻的物理布局；
图5是一个曲线图，指出图4传感器的输出信号在热冲击的情形如何变化；
图6是一个用于比较目的的平面视图，示出一个类似于图4但没有补偿电阻的传感器；以及
图7是一个用于比较目的的曲线图，示出图6传感器的输出信号在热冲击情形下如何变化。
现在参照图3就使用压力传感器的应变片制作的惠斯登桥式电路叙述本发明的原理。
图3是一个电原理图，示出压力传感器的四个普通应变片J1-J4和四个补偿电阻r1-r4组成的惠斯登桥式电路。补偿电阻ri包括在每一个桥臂中与一个应变片Ji串联，但其物理位置则紧靠另一个位于两相邻桥臂之一中的应变片。于是，每一个应变片均与接在惠斯登电桥相邻桥臂中的补偿电阻共享其热环境。电源电压在+A和-A点之间供应，输出电压则在+M和-M点之间检测。
在压力传感器中，应变片Ji的欧姆数值Ri及其相应的电阻温度系数αi互相很接近；接近得可以用一个公共数值R表示每个应变片在参考温度时的电阻，用一个公共数值α表示它们的温度系数。补偿电阻本身也被选择得具有一个公共的电阻欧姆数值r和一个公共的电阻温度系数β。
在应变片的TCR即α不是低得可以忽略不计和应变片的相应温度变化得偏离参考数值一个数量θi的情形，电路的输出电压US由下面的方程(5)给出：US=UAA1A2-A3A4(A1+A3)(A2+A4)---(5)]]>其中
A1＝(R+ΔR)(1+αθ1)+r(1+βθ3)，
A2＝(R+ΔR)(1+αθ2)+r(1+βθ4)，
A3＝(R-ΔR)(1+αθ3)+r(1+βθ2)，和
A4＝(R-ΔR)(1+αθ4)+r(1+βθ1)，(电源电压UA和压力固定不变)。
根据本发明，补偿电阻的欧姆数值r选择得遵循下面的关系式：
Rα＝rβ (6)
在这一情形，即使在组成惠斯登电桥的应变片的温度之间存在差别，输出电压也不会再依赖于这些温度差。令r≤R/2以限制电桥电路的灵敏度损失也是必要的。
根据本发明，补偿电阻ri的欧姆数值r最好选择得尽可能低于应变片Ji的公共欧姆数值(也就是说r＜＜R)，并且补偿电阻ri的TCR即β选择得显著大于应变片Ji的TCR即α(也就是说α＜＜β)。
在这些条件下，方程(5)简化为下面的方程(7)：US=UA(ΔRR)(1-γ2R)---(7)]]>
比较方程(3)和(7)，将会看到在外加压力变化的情形，包含有补偿元件的惠斯登电桥的输出信号低于省去了这些元件的惠斯登电桥的输出信号。这相当于测量灵敏度的损失等于r/2R。如果补偿元件的电阻欧姆数值r选择得等于1/2R，则这一灵敏度损失变成25％，考虑到作为回报而得到的对温度梯度的抗扰性，这可以被认为是容许的。
最好使用具有电阻欧姆数值最多等于1/10R左右补偿电阻(这要求补偿电阻的电阻温度系数β＝10α)。在这种情形下，压力传感器的灵敏度几乎不受存在补偿电路的影响(相对于没有设置补偿电阻且电桥性能理想的情形而言，输出电压损失其数值的5％)。通过把补偿电阻的欧姆数值选择得比应变片的欧姆数值再低些，例如通过使r具有一个最多等于R的5％的数值，这一灵敏度损失还可进一步降低。
根据本发明的压力传感器膜片m上的应变片J1-J4和补偿电阻r1-r4的结构的一个例子示于图4(平面视图)。这一结构可通过在膜片上淀积薄膜而生产出来。在这一例子中，应变片用镍铬合金制成且各有1000Ω的电阻和1×10-4/℃的电阻温度系数；补偿电阻用铂制成且各有10Ω的电阻和1×10-3/℃的电阻温度系数。
图4所示的实施例中用铂制成的补偿电阻可以有利地用镍制成的补偿电阻取代，后者具有等于4×10-3/℃的电阻温度系数。这将传感器的灵敏度损失降低到1.25％。
在图5中，示出图4传感器的输出信号经受热冲击的情形。为了比较的目的，图6示出一个类似于图4的传感器，但省略了补偿电阻。图7示出图6传感器的输出信号在热冲击下的情形。比较图5和7显示出除了抗存在于主电阻之间的温度梯度之外，这个传感器的输出信号与常规压力传感器相比，还提高了对热冲击的稳定性。
虽然本发明的原理已经联系具有应变片的压力传感器叙述过了，但一般地说，它们也能应用于四个电阻具有基本一样的欧姆数值R和基本一样的电阻温度系数α的任何惠斯登桥式电路中。