采用信號調(diào)理IC驅(qū)動應變片電橋傳感器

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

目前可以提供的應變片具有較寬的零應變電阻選擇范圍，可以選擇的傳感器材料和相關技術(shù)也非常廣泛，但在大量應用中主要采用了幾類數(shù)值(例如，120Ω和350Ω)。過去，標準值很容易實現(xiàn)與基本磁反射計的連接，這些反射計含有匹配輸入阻抗網(wǎng)絡，從而簡化了應變測量。

應變片的類型和組成

金屬應變片的生產(chǎn)采用了一定數(shù)量的合金，選擇較小的應變片和應變材料溫度系數(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”合金推動了溫度兼容應變片的大批量低成本生產(chǎn)。350Ω銅鎳合金應變片是最常用的。

厚膜和薄膜應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刻蝕技術(shù)在材料上刻出傳感片和連接線。有時會加入保護絕緣層，以保護應變片和連接線。

應變片材料一般包括專用合金，以產(chǎn)生所需的應變片阻抗、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。針對該技術(shù)開發(fā)了標稱3kΩ至30kΩ的應變片和電橋電阻，用于生產(chǎn)壓力和力傳感器。

電橋激勵技術(shù)

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


圖1. 惠斯通電橋配置中連接的應變片

在半有源惠斯通電橋電路(圖2)中，電橋只有兩個元件是應變片，它們響應材料中的應變。這種配置的輸出信號(滿量程負載一般為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應變片。特征電橋電阻是350Ω，輸出靈敏度是2mV/V，應變片在較大范圍內(nèi)采用了應變材料。