采用信號調理IC驅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的MAX1452傳感器信號調理器。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動電路，也可以實現很多其他電橋驅動配置。其他設計考慮包括在控制環路上使用外部溫度傳感器，在環路中送入OUT信號，實現傳感器線性化調理(即，相對于測量參數的非線性)。

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也非常廣泛，但在大量應用中主要采用了幾類數值(例如，120Ω和350Ω)。過去，標準值很容易實現與基本磁反射計的連接，這些反射計含有匹配輸入阻抗網絡，從而簡化了應變測量。

應變片的類型和組成

金屬應變片的生產采用了一定數量的合金，選擇較小的應變片和應變材料溫度系數差。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。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的特性，適用于汽車行業，其生產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，以產生所需的應變片阻抗、阻抗壓力變化，以及(出于溫度穩定性)傳感器和基本金屬之間的最佳溫度系數匹配等。針對該技術開發了標稱3kΩ至30kΩ的應變片和電橋電阻，用于生產壓力和力傳感器。

電橋激勵技術

應變片、薄膜和厚膜應變片傳感器一般采用惠斯通電橋。惠斯通電橋將應變片應變產生的電阻轉換為差分電壓(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采用了應變材料。