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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(guān)技術(shù)也非常廣泛，但在大量應用中主要采用了幾類(lèi)數值(如120Ω和350Ω)。過(guò)去，標準值很容易實(shí)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(wǎng)絡(luò )，從而簡(jiǎn)化了應變測量。 應變片的類(lèi)型和組成 金屬應變片的生產(chǎn)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(dòng)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(chē)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(guò)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(xué)刻蝕技術(shù)在材料上刻出傳感片和連接線(xiàn)。有時(shí)會(huì )加入保護絕緣層，以保護應變片和連接線(xiàn)。應變片材料一般包括專(zhuān)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(shù)開(kāi)發(fā)了標稱(chēng)3～30kΩ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�；菟雇姌驅兤瑧儺a(chǎn)生的電阻轉換為差分電壓如圖1所示。+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。 在半有源惠斯通電橋電路（如圖2所示）中，電橋只有兩個(gè)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(mǎn)量程負載一般為1mV/V)是全有源電橋的一半。 另一種全有源電橋電路如圖3所示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。 圖1 惠斯通電橋配置中連接的應變片 圖2 半有源惠斯通電橋配置中連接的應變片 圖3 一種16應變片惠斯通電橋配置 溫度對傳感器性能的影響 溫度導致零負載輸出電壓漂移(也稱(chēng)為失調)，在負載情況下使靈敏度出現變化(也定義為滿(mǎn)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，補償這些變化的一階影響，如圖3所示。當溫度變化時(shí)，電阻RFSOTC和RFSOTC_SHUNT調制電橋激勵電壓。一般而言，RFSOTC材料有正溫度系數，電橋激勵電壓隨溫度升高而降低。隨著(zhù)溫度的提高，傳感器輸出對負載越來(lái)越敏感。降低電橋激勵電壓能夠減小傳感器輸出，有效地抵消內在溫度效應。電阻RSHUNT對溫度或者應變不敏感，用于調整RFSOTC產(chǎn)生的TC補償量。0Ω的RSHUNT能夠抵消RFSOTC的所有影響，而無(wú)限大的值(開(kāi)路)將使能RFSOTC的所有影響。該方法補償一階溫度靈敏度的效果非常好，但是不能解決更復雜的高階非線(xiàn)性效應。通過(guò)在電橋的一臂上插入溫度敏感電阻來(lái)完成失調變化的溫度補償。這些電阻如圖3所示的ROTC_POS和ROTC_NEG。分流電阻(ROTC_SHUNT)調整ROTC_POS或者ROTC_NEG引入的溫度影響量。使用ROTC_POS或者ROTC_NEG取決于失調是正溫度系數還是負溫度系數。 怎樣實(shí)現電流激勵驅動(dòng) 由于電橋電阻隨負載變化，以及內置靈敏度補償網(wǎng)絡(luò )(如圖2所示的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)中的電流過(guò)大或者電流反向等原因，使用電流來(lái)激勵電橋傳感器有很大的困難�？梢圆捎酶鞣N方法來(lái)解決這些問(wèn)題，實(shí)現電流激勵驅動(dòng)。一種簡(jiǎn)單的方法是使用MAX1452，通過(guò)配置實(shí)現電壓驅動(dòng)。該電路包括很少的外部元件，這些元件可滿(mǎn)足電壓激勵需要的大電流要求。MAX1452集成信號調理IC能夠完成傳感器激勵、信號濾波和放大、失調和靈敏度的溫度線(xiàn)性化等功能。MAX1452包括PRT電流激勵電路如圖4所示。電路包括一個(gè)電流鏡像(T1和T2)，將小參考電流放大14倍，足以驅動(dòng)2～5kΩ的PRT傳感器。在RISRC和RSTC上加電壓可以獲得參考電流。該電壓由運算放大器U1反饋環(huán)路中的16位精度滿(mǎn)量程輸出D/A轉換器(FSO DAC)設置。 FSODAC采用了Σ-Δ體系結構，其數字輸入來(lái)自閃存中的溫度系數表。溫度每遞增1.5℃，每4ms向DAC提供唯一的16位系數。DAC輸出電壓驅動(dòng)p溝道MOSFET T1的柵極，隨之向RISRC和RSTC驅動(dòng)足夠的電流，產(chǎn)生等于FSODAC電壓的電壓。通過(guò)T1的電流，由T2鏡像放大14倍，成為電橋驅動(dòng)電流。電阻RSTC使能傳感器激勵電流的一階調制，該電流是溫度的函數。對于硅片PRT換能器，當電流通過(guò)電橋時(shí)，從結果傳感器電橋電壓中獲得溫度。這類(lèi)傳感器在電橋電阻和溫度之間具有很好的傳輸函數。通過(guò)電流激勵電橋，您可以調整結果電橋電壓，利用它對失調和靈敏度進(jìn)行一階補償。這可以通過(guò)連接電橋電壓(引腳BDR)和滿(mǎn)量程輸出溫度補償DAC (FSOTCDAC)的參考輸入來(lái)實(shí)現。但是要記住，當使用金屬片或者厚膜應變片時(shí)，一般不適合采用電流激勵。| 圖4 PRT電橋激勵電路圖 電壓驅動(dòng)電路 MAX1452的內部75kΩ電阻可用作RISRC和RSTC，也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)SW1和SW2連接外部電阻，如圖5所示。通過(guò)ISRC引腳訪(fǎng)問(wèn)運算放大器，實(shí)現電橋驅動(dòng)的電壓反饋。圖5、圖6和圖7介紹了三種不同的電壓驅動(dòng)電路。 圖5 高阻傳感器電路圖，沒(méi)有使用外部器件 圖6 具有npn晶體管的低阻抗傳感器電路圖 圖7 使用外部RSUPP驅動(dòng)的電路 對于2kΩ以上的高阻抗傳感器，圖6中的簡(jiǎn)單電路為電橋提供了電壓驅動(dòng)激勵。打開(kāi)SW1和SW2禁止FSOTCDAC調制電路。連接引腳ISRC和BDR形成運算放大器反饋環(huán)路，從而獲得電橋激勵電壓反饋。通過(guò)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FSODAC電壓�；菟雇姌螂娐分羞B接的低阻抗(120Ω～2kΩ)應變片或者厚膜電阻不能直接由T2驅動(dòng)。采用射極跟隨配置的外部npn晶體管可以解決這一問(wèn)題如圖6所示。流過(guò)npn晶體管的電流直接來(lái)自集電極VDD電源。驅動(dòng)T1和T2，使其足以導通，打開(kāi)npn晶體管，使運算放大器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算放大器。對電橋電壓進(jìn)行穩壓，以匹配FSODAC輸出電壓，在電橋上加入一個(gè)小的0.1μF電容，以保持穩定。npn晶體管的基射極電壓(VBE)具有較大的溫度系數，通過(guò)U1的反饋來(lái)消除方程中該項的影響。低溫時(shí)，VBE較大，最大電橋電壓限制為 VBRIDGEMAX= VDD-VT2SAT-VBE 與VBE溫度補償相似，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動(dòng)電流的另一方法是在T2上并聯(lián)一個(gè)小的外部電阻(圖7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(shí)，T2提供最小的電流，因此，應針對最差情況的小電橋電壓來(lái)調整RSUPP。同樣，T2的最大電流能力(VBDR =4.0V時(shí)2mA)決定了可用的最大電橋電壓調制。該電路可以用于具有靈敏度(TCS)相對較低溫度系數的電橋傳感器，它不需要較大的電橋電壓調制。U1反饋消除了RSUPP溫度系數導致的靈敏度效應。設計電路時(shí)，為保證適當的驅動(dòng)電流余量，應考慮RSUPP功率降額最大值和最小值。 |
