一种用于非线性电阻传感器桥的通用环路补偿接口及其在热敏电阻线性化温度传感中的应用

《IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement》：A Versatile Loop-Compensated Interface for Nonlinear Resistive Sensor Bridges Applied to Linearized Thermistor Temperature Sensing

本文推荐一种基于电子环路补偿的通用接口电路（VBL），用于解决单元件（SE）、特殊双元件（sDE）及热敏电阻等非线性电阻传感器桥的输出线性化问题。该拓扑通过创新的开关逻辑和双模式操作，结合差分进化算法（DEA）优化参数，在0°C至120°C范围内实现非线性度低至0.48%，灵敏度达23.5 mV/°C的线性输出，显著提升了工业传感系统的精度与适应性。

　　

在工业测量、航空航天和生物医学等领域，电阻传感器因其稳定性高、抗干扰能力强而被广泛应用。其中，惠斯通电桥结构因其比率输出特性、良好的共模抑制比和长期稳定性，成为电阻传感器常见的配置形式。然而，许多电阻传感器桥，如单元件（SE）桥、特殊双元件（sDE）桥以及基于热敏电阻的桥路，其输出与待测量之间存在着显著的非线性关系。这种非线性严重限制了传感器的测量范围和精度，给高精度测量系统带来了巨大挑战。传统的解决方案，如使用仪表放大器（IA）的直接接口电路，往往无法有效线性化输出；而一些基于模拟平衡或数字化的方案，要么响应迟缓，要么结构复杂、成本高昂，且通常只针对特定类型的传感器桥设计，缺乏通用性。此外，一些线性化方法可能需要昂贵的精密元件（如低导通电阻开关、对数放大器等）或复杂的校准过程，这进一步限制了其在工业中的广泛应用。因此，开发一种能够适配多种类型非线性电阻传感器桥、结构简单、成本低廉且能提供高线性度输出的通用接口电路，成为了一个亟待解决的关键问题。本研究发表在《IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement》上的论文，旨在攻克这一难题。

为达成上述目标，研究人员提出并设计了一种基于增强型环路补偿（LC）方法的通用桥式线性化器（VBL）接口拓扑。该电路的核心创新在于其 versatility（多功能性），能够通过配置开关逻辑，以单模式或双模式（占空比控制）的方式工作，从而适配单元件（SE）传感器桥、特殊双元件（sDE）传感器桥（如巨磁阻GMR传感器）以及热敏电阻温度传感器。电路主要基于两个仪表放大器（A₁和A₂）、一个由控制信号V_con驱动的开关网络（S₁和S₂）以及一个低通滤波器（LPF）构建。研究中针对热敏电阻线性化接口（VBL_θ），将非线性度最小化问题构建为一个约束优化问题，并采用差分进化算法（DEA）进行求解，优化参数包括占空比a、放大器增益y、并联电阻R_p等，同时考虑了灵敏度下限、输出范围限制以及自热误差（SHE）等实际约束。性能评估通过仿真、仿真模型验证以及使用商用热敏电阻（NTCLE100E3）的实验研究进行，实验装置包括恒温箱、标准铂电阻温度计（SPRT）、高精度数据采集卡等。

II. 提出的电路架构与操作

研究人员提出了VBL的电路架构，其核心是一个包含两个仪表放大器（A₁和A₂）和开关逻辑（S₁, S₂）的反馈环路。通过设置控制信号V_con的电平，电路可工作于单模式（用于SE和sDE桥）或双模式（用于热敏电阻桥）。低通滤波器（LPF）用于提取输出电压V_O的平均值V_θ，作为线性化的测量结果。

VBL连接sDE基桥

当VBL用于连接sDE桥（如GMR传感器）时，工作在单模式（V_con为逻辑低电平）。通过设置环路增益Gy=1，输出电压V_θ与传感器电阻变化量（R_O-R_G）呈线性关系。仿真结果表明，其非线性度（N.L.）极低，仅为0.00023%。

VBL基SE电阻传感器桥

当VBL用于连接SE桥时，同样工作在单模式（V_con为逻辑高电平）。通过设置环路增益Gy=2，输出电压V_θ与传感器电阻R_S的变化量呈线性关系，如公式V_O= (G V_R(R_S- R₁)) / (4 R₁)所示。

III. 适用于热敏电阻的VBL基前端

针对热敏电阻（R_θ）高度非线性的电阻-温度特性，研究人员提出了VBL_θ拓扑，采用双模式操作。在模式M₁和M₂下，分别得到输出电压V_O1和V_O2。最终输出V_θ是V_O1和V_O2的加权平均（V_θ= a V_O1+ (1-a) V_O2），通过低通滤波器或数字平台实现。

使用DE算法进行参数优化

为实现V_θ与温度θ之间的最佳线性度，研究将问题表述为以非线性度（% N.L.）为目标函数、以灵敏度、输出范围和自热误差（SHE）为约束条件的优化问题。采用差分进化算法（DEA）对参数V_R, G, a, y, R_p进行优化。对于100 kΩ热敏电阻在0°C至120°C范围内的优化结果表明，非线性度可低至0.31%，灵敏度达23.6 mV/°C，最大自热误差仅为0.035°C。

IV. 误差分析

对VBL_θ进行了全面的误差分析，主要考虑了仪表放大器的共模抑制比（CMRR）、电阻y和R_p的容差、开关S₁和S₂的导通/关断电阻、输入偏置电流和失调电压等因素。分析表明，使用容差小于1%的电阻时，非线性度增加可控（如R_p容差1%时，N.L.增至0.33%）。开关电阻的影响极小（误差约0.0003%），表明无需昂贵的高性能开关。不确定性分析表明，在考虑参数不确定性的情况下，温度估计的综合不确定度导致最大可能误差约为0.89°C。

V. VBL方案的性能验证

仿真研究

仿真研究验证了VBL对sDE桥和热敏电阻桥的线性化能力。对于sDE桥，非线性度极低。对于热敏电阻桥（VBL_θ），使用优化参数进行仿真，得到的V_θ-θ特性非线性度为0.34%，证明了该方案的有效性。

使用VBL_θ的实验研究

硬件实验使用商用热敏电阻（NTCLE100E3）和精密仪器（如恒温箱、标准铂电阻温度计SPRT）进行。首先通过电阻箱模拟热敏电阻阻值，测得V_θ-θ特性的非线性度为0.45%。随后进行实时温度测量，在0°C至120°C范围内，测得非线性度为0.48%，灵敏度良好，重复性研究显示信噪比（SNR）达95 dB，标准偏差（S.D.）为0.002%。

与现有热敏电阻线性化器的性能比较

将VBL_θ与现有技术进行比较显示，其在线性度（0.48%）、测量范围（0-120°C）、复杂性、成本以及对开关电阻不敏感性等方面具有综合优势，是一种适用于工业场景（如航空航天推进系统温度监测）的高效线性化接口。

本研究成功设计并验证了一种通用的环路补偿接口电路（VBL），能够为单元件（SE）、特殊双元件（sDE）电阻传感器桥以及热敏电阻提供高线性度的输出。该电路架构基于仪表放大器和创新的开关逻辑，通过单模式或双模式操作实现线性化。针对热敏电阻的应用，采用差分进化算法（DEA）进行参数优化，有效平衡了线性度、灵敏度和自热误差等关键指标。详细的误差分析表明，该方案对元件容差、开关非理想性等因素具有鲁棒性。仿真和实验研究结果一致证实，VBL能够在宽温度范围（0°C至120°C）内实现低非线性度（实验值为0.48%）和良好灵敏度的线性输出。与现有技术相比，VBL在通用性、线性度性能和成本效益方面展现出显著优势。这项工作为各类非线性电阻传感器提供了一种简单、有效且易于实现的线性化解决方案，有望广泛应用于工业测量、环境监测以及航空航天等领域的高精度传感系统中。未来的工作将集中于电路的微型化，以进一步促进其在实际场景中的部署。