Резистивные датчики. Мостовая измерительная схема для резистивных датчиков. Мост Уинстона.

Датчики физических величин на основе резистивных чувствительных элементов, резистивные датчики, являются, пожалуй, наиболее распространёнными. В данных датчиках измеряемая физическая величина преобразуется в изменение электрического сопротивления. Задача измерительной цепи заключается в преобразовании значения электрического сопротивления в электрический сигнал – напряжение или ток.

В связи с разнообразием резистивных датчиков и различными областями их применения различаются и измерительные схемы для них. В случаях, когда измеряемая физическая величина приводит к небольшому изменению электрического сопротивления, используются, так называемые, мостовые схемы.

На рис. 1 изображена мостовая схема для резистивного датчика.

Рис.1. Мостовая схема для резистивного датчика

В данной схеме физическая величина f воздействует на резистивный элемент , изменяя его сопротивление таким образом, что бы , где  пропорционально воздействию физической величины , а  – относительное изменения сопротивления R. В данной схеме различают питающую диагональ – точки с, d и измерительную диагональ – точки а, b. Сопротивления , , ,  – плечи моста: ,  и ,  – смежные плечи моста, ,  и ,  – противоположные плечи моста. Выходным напряжением схемы является разность напряжения в измерительной диагонали . В общем виде при условии холостого хода в измерительной диагонали можно найти:

; ,

соответственно,  будет равно:

.

Обычно мостовая схема строится исходя из следующих соотношений:

, .

Тогда,

или .

Из последнего выражения видно, что выходное напряжение зависит от относительного изменения сопротивления резистивного элемента , однако, это изменение нелинейно, в знаменателе присутствует слагаемое с . Кроме того, нелинейность проявляется тем меньше, чем больше отношение , называемое отношением моста, но при этом уменьшается чувствительность. Обычно для обеспечения приемлемых требований по чувствительности и нелинейности используют отношение моста равным 1, т. е. . При этом выходное напряжение имеет вид: .

Нелинейность мостовой схемы можно оценить следующим образом. Поскольку относительное изменение  под действием преобразуемой физической величины много меньше единицы, то с точностью до величины второго порядка малости  выражение для выходного напряжения можно записать в следующем виде: .

Второе слагаемое в круглых скобках как раз и характеризует нелинейность. Например, если изменение , то нелинейность преобразования будет равна , а выходной сигнал, например, при питании схемы десятью вольтами, , будет равен: .

Зачастую такого напряжения оказывается недостаточно для дальнейшего преобразования физической величины. Увеличивать чувствительность за счёт увеличения напряжения питания , как правило, не удаётся, поскольку при этом в резистивном чувствительном элементе увеличивается рассеиваемая электрическая мощность, что может привести к нарушению его метрологических и эксплуатационных характеристик.

Кроме невысокой чувствительности и нелинейности преобразования в мостовых схемах имеется ещё один недостаток – это конечное выходное сопротивление. Для схемы, представленной на рис. 1.  равно

или с учётом отношения моста, равного 1,

.

Для устранения перечисленных недостатков используются мостовые схемы с использованием операционных усилителей – активные мостовые схемы.