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，用于壓力傳感、重量測量、力和扭矩測量，以及材料分析等。應(yīng)變片是一個簡單的電阻，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償?shù)膍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(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，也可以實現(xiàn)很多其他電橋驅(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)傳感器線性化調(diào)理(即，相對于測量參數(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。

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。有時會加入保護絕緣層，以保護應(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。

電橋激勵技術(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。惠斯通電橋?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，+v_out和-v_out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

溫度對傳感器性能的影響

　　溫度導(dǎo)致零負載輸出電壓漂移(也稱為失調(diào))，在負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，補償這些變化的一階影響，如圖1-3所示。

　　當(dāng)溫度變化時，電阻r_fsotc和r_{fsotc_shunt}調(diào)制電橋激勵電壓。一般而言，r_fsotc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r_shunt對溫度或者應(yīng)變不敏感，用于調(diào)整r_fsotc產(chǎn)生的tc補償量。0ω的r_shunt能夠抵消r_fsotc的所有影響，而無限大的值(開路)將使能r_fsotc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(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)變化的溫度補償。這些電阻是圖1-3中所示的r_{otc_pos}和r_{otc_neg}。分流電阻(r_{otc_shunt})調(diào)整r_{otc_pos}或者r_{otc_neg}引入的溫度影響量。使用r_{otc_pos}或者r_{otc_neg}取決于失調(diào)是正溫度系數(shù)還是負溫度系數(shù)。

怎樣實現(xiàn)電流激勵驅(qū)動

　　由于電橋電阻隨負載變化，以及內(nèi)置靈敏度補償網(wǎng)絡(luò)(圖2中顯示的r_fsotc和r_fsotc-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max14