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(luò)，從而簡化了應(yīng)變測量。

 

 

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。有時會加入保護(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。
 

 

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(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。

 

圖3. 一種16應(yīng)變片惠斯通電橋配置

 

 

溫度導(dǎo)致零負(fù)載輸出電壓漂移(也稱為失調(diào))，在負(fù)載情況下使靈敏度出現(xiàn)變化(也定義為滿量程輸出電壓)，對傳感器性能有不利的影響。傳感器生產(chǎn)商在電路中引入溫度敏感電阻，補(bǔ)償這些變化的一階影響，如圖1至圖3所示。

 

當(dāng)溫度變化時，電阻RFSOTC和RFSOTC_SHUNT調(diào)制電橋激勵電壓。一般而言，RFSOTC材料有正溫度系數(shù)，電橋激勵電壓隨溫度升高而降低。隨著溫度的提高，傳感器輸出對負(fù)載越來越敏感。降低電橋激勵電壓能夠減小傳感器輸出，有效地抵消內(nèi)在溫度效應(yīng)。電阻RSHUNT對溫度或者應(yīng)變不敏感，用于調(diào)整RFSOTC產(chǎn)生的TC補(bǔ)償量。0Ω的RSHUNT能夠抵消RFSOTC的所有影響，而無限大的值(開路)將使能RFSOTC的所有影響。該方法補(bǔ)償一階溫度靈敏度的效果非常好，但是不能解決更復(fù)雜的高階非線性效應(yīng)。

 

通過在電橋的一臂上插入溫度敏感電阻來完成失調(diào)變化的溫度補(bǔ)償。這些電阻是圖1至圖3中所示的ROTC_POS和ROTC_NEG。分流電阻(ROTC_SHUNT)調(diào)整ROTC_POS或者ROTC_NEG引入的溫度影響量。使用ROTC_POS或者ROTC_NEG取決于失調(diào)是正溫度系數(shù)還是負(fù)溫度系數(shù)。

 

 

由于電橋電阻隨負(fù)載變化，以及內(nèi)置靈敏度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(圖2中顯示的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)中的電流過大或者電流反向等原因，使用電流來激勵電橋傳感器有很大的困難。

 

可以采用各種方法來解決這些問題，實現(xiàn)電流激勵驅(qū)動。一種簡單的方法是使用MAX1452，通過配置實現(xiàn)電壓驅(qū)動。該電路包括很少的外部元件，這些元件可滿足電壓激勵需要的大電流要求。MAX1452是全集成信號調(diào)理IC，完成傳感器激勵、信號濾波和放大、失調(diào)和靈敏度的溫度線性化等。

 

MAX1452主要設(shè)計用于壓力傳感中的硅片壓阻換能器(PRT)。它采用了4個16位Σ-Δ DAC (D-A轉(zhuǎn)換器)、溫度傳感器和溫度系數(shù)表來完成電橋傳感器的溫度補(bǔ)償和線性化(圖4)。在傳感單元和電壓輸出之間通過模擬信號通路來完成溫度補(bǔ)償和放大。該IC借助很少的外部電路就可以適應(yīng)金屬片或者厚膜應(yīng)變片，為惠斯通電橋提供電壓激勵以及更強(qiáng)的電流驅(qū)動能力。

 

圖4. MAX1452是電橋傳感器全集成信號調(diào)理IC 

 

MAX1452包括PRT電流激勵電路(圖5)。電路包括一個電流鏡像(T1和T2)，將小參考電流放大14倍，足以驅(qū)動2kΩ到5kΩ的PRT傳感器。在RISRC和RSTC上加電壓可以獲得參考電流。該電壓由運(yùn)算放大器U1反饋環(huán)路中的16位精度滿量程輸出D/A轉(zhuǎn)換器(FSO DAC)設(shè)置。

 

圖5. PRT電橋激勵電路圖

 

FSO DAC采用了Σ-Δ體系結(jié)構(gòu)，其數(shù)字輸入來自閃存中的溫度系數(shù)表。溫度每遞增1.5°C，每4ms向DAC提供唯一的16位系數(shù)。DAC輸出電壓驅(qū)動p溝道MOSFET T1的柵極，隨之向RISRC和RSTC驅(qū)動足夠的電流，產(chǎn)生等于FSO DAC電壓的電壓。通過T1的電流，由T2鏡像放大14倍，成為電橋驅(qū)動電流。

 

電阻RSTC使能傳感器激勵電流的一階調(diào)制，該電流是溫度的函數(shù)。對于硅片PRT換能器，當(dāng)電流通過電橋時，從結(jié)果傳感器電橋電壓中獲得溫度。這類傳感器在電橋電阻和溫度之間具有很好的傳輸函數(shù)。通過電流激勵電橋，您可以調(diào)整結(jié)果電橋電壓，利用它對失調(diào)和靈敏度進(jìn)行一階補(bǔ)償。這可以通過連接電橋電壓(引腳BDR)和滿量程輸出溫度補(bǔ)償DAC (FSOTC DAC)的參考輸入來實現(xiàn)。但是要記住，當(dāng)使用金屬片或者厚膜應(yīng)變片時，一般不適合采用電流激勵。

 

 

MAX1452的內(nèi)部75kΩ電阻可用作RISRC和RSTC，也可以通過開關(guān)SW1和SW2連接外部電阻，如圖5所示。通過ISRC引腳訪問運(yùn)算放大器，實現(xiàn)電橋驅(qū)動的電壓反饋。圖6、圖7和圖8介紹了三種不同的電壓驅(qū)動電路。

 

圖6. 高阻抗傳感器電路圖，沒有使用外部器件

 

圖7. 具有npn晶體管的低阻抗傳感器電路圖

 

圖8. 使用外部RSUPP驅(qū)動的電路

 

對于2kΩ以上的高阻抗傳感器，圖6中的簡單電路為電橋提供了電壓驅(qū)動激勵。打開SW1和SW2禁止FSOTC DAC調(diào)制電路。連接引腳ISRC和BDR形成運(yùn)算放大器反饋環(huán)路，從而獲得電橋激勵電壓反饋。通過向電橋源出電流，晶體管T1和T2 (并聯(lián))提高了電橋電壓，使其等于FSO DAC電壓。

 

惠斯通電橋電路中連接的低阻抗(120Ω至2kΩ)應(yīng)變片或者厚膜電阻不能直接由T2驅(qū)動。采用射極跟隨配置的外部npn晶體管可以解決這一問題(圖7)。流過npn晶體管的電流直接來自集電極VDD電源。驅(qū)動T1和T2，使其足以導(dǎo)通，打開npn晶體管，使運(yùn)算放大器U1提高電橋電壓。為關(guān)閉環(huán)路，ISRC的電橋電壓被反饋至運(yùn)算放大器。對電橋電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，以匹配FSO DAC輸出電壓，在電橋上加入一個小的0.1µF電容，以保持穩(wěn)定。

 

npn晶體管的基射極電壓(VBE)具有較大的溫度系數(shù)，通過U1的反饋來消除方程中該項的影響。低溫時，VBE較大，最大電橋電壓限制為：

 

VBRIDGEMAX = VDD - VT2SAT - VBE

 

與VBE溫度補(bǔ)償相似，控制反饋環(huán)路消除了方程中的TNPN增益溫度分量。

 

為低阻抗電橋提供足夠驅(qū)動電流的另一方法是在T2上并聯(lián)一個小的外部電阻(圖8中的RSUPP)。RSUPP保證了電橋電壓略小于所需的值(VDD = 5.0V為3.0V)。T2提供更多的電流，把電橋電壓提高到所需的值。由于T2處于OFF狀態(tài)時，T2提供最小的電流，因此，應(yīng)針對最差情況的小電橋電壓來調(diào)整RSUPP。同樣，T2的最大電流能力(VBDR = 4.0V時2mA)決定了可用的最大電橋電壓調(diào)制。該電路可以用于具有靈敏度(TCS)相對較低溫度系數(shù)的電橋傳感器，它不需要較大的電橋電壓調(diào)制。

 

U1反饋消除了RSUPP溫度系數(shù)導(dǎo)致的靈敏度效應(yīng)。設(shè)計電路時，為保證適當(dāng)?shù)尿?qū)動電流余量，應(yīng)考慮RSUPP功率降額最大值和最小值。

 

 

MAX1452靈活的電橋激勵方法大大提高了用戶的設(shè)計自由度。本文主要關(guān)注帶有和不帶有電流放大的電壓驅(qū)動電路，并介紹了其他電橋驅(qū)動配置。其他設(shè)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(即，相對于測量參數(shù)的非線性)等。

 

本文來源于Maxim。