采用信號(hào)調(diào)理IC驅(qū)動(dòng)應(yīng)變片電橋傳感器

摘要：應(yīng)變片傳感器具有可靠、可重復(fù)性好等特性，并且非常精確，廣泛用于制造、工藝控制以及研究領(lǐng)域。它將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于壓力傳感、重量測(cè)量、力和扭矩測(cè)量，以及材料分析等。應(yīng)變片是一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻，其阻值隨所粘合的材料應(yīng)變而變化。本文介紹用于溫度補(bǔ)償?shù)腗AX1452傳感器信號(hào)調(diào)理器。MAX1452靈活的電橋激勵(lì)方法大大提高了用戶的設(shè)計(jì)自由度。本文主要關(guān)注帶有和不帶有電流放大的電壓驅(qū)動(dòng)電路，也可以實(shí)現(xiàn)很多其他電橋驅(qū)動(dòng)配置。其他設(shè)計(jì)考慮包括在控制環(huán)路上使用外部溫度傳感器，在環(huán)路中送入OUT信號(hào)，實(shí)現(xiàn)傳感器線性化調(diào)理(即，相對(duì)于測(cè)量參數(shù)的非線性)。

目前可以提供的應(yīng)變片具有較寬的零應(yīng)變電阻選擇范圍，可以選擇的傳感器材料和相關(guān)技術(shù)也非常廣泛，但在大量應(yīng)用中主要采用了幾類數(shù)值(例如，120Ω和350Ω)。過去，標(biāo)準(zhǔn)值很容易實(shí)現(xiàn)與基本磁反射計(jì)的連接，這些反射計(jì)含有匹配輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)，從而簡(jiǎn)化了應(yīng)變測(cè)量。

應(yīng)變片的類型和組成

金屬應(yīng)變片的生產(chǎn)采用了一定數(shù)量的合金，選擇較小的應(yīng)變片和應(yīng)變材料溫度系數(shù)差。鋼、不銹鋼和鋁成為主要的傳感器材料。也可以使用鈹銅、鑄鐵和鈦，“大部分”合金推動(dòng)了溫度兼容應(yīng)變片的大批量低成本生產(chǎn)。350Ω銅鎳合金應(yīng)變片是最常用的。

厚膜和薄膜應(yīng)變片具有可靠和易于生產(chǎn)的特性，適用于汽車行業(yè)，其生產(chǎn)一般采用陶瓷或者金屬基底，在表面沉積絕緣材料。通過汽相沉積工藝將應(yīng)變片材料沉積在絕緣層的表面。采用激光汽化或者光掩模和化學(xué)刻蝕技術(shù)在材料上刻出傳感片和連接線。有時(shí)會(huì)加入保護(hù)絕緣層，以保護(hù)應(yīng)變片和連接線。

應(yīng)變片材料一般包括專用合金，以產(chǎn)生所需的應(yīng)變片阻抗、阻抗壓力變化，以及(出于溫度穩(wěn)定性)傳感器和基本金屬之間的最佳溫度系數(shù)匹配等。針對(duì)該技術(shù)開發(fā)了標(biāo)稱3kΩ至30kΩ的應(yīng)變片和電橋電阻，用于生產(chǎn)壓力和力傳感器。

電橋激勵(lì)技術(shù)

應(yīng)變片、薄膜和厚膜應(yīng)變片傳感器一般采用惠斯通電橋?；菟雇姌?qū)?yīng)變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)換為差分電壓(圖1)。+Exc和-Exc終端加上激勵(lì)電壓后，+VOUT和-VOUT終端上出現(xiàn)與應(yīng)變成正比的差分電壓。


圖1. 惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片

在半有源惠斯通電橋電路(圖2)中，電橋只有兩個(gè)元件是應(yīng)變片，它們響應(yīng)材料中的應(yīng)變。這種配置的輸出信號(hào)(滿量程負(fù)載一般為1mV/V)是全有源電橋的一半。


圖2. 半有源惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片

另一種全有源電橋電路(圖3)采用了四片以上有源350Ω應(yīng)變片。特征電橋電阻是350Ω，輸出靈敏度是2mV/V，應(yīng)變片在較大范圍內(nèi)采用了應(yīng)變材料。