采用信号调理IC驱动应变片电桥传感器-[db:标签3]

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  摘要:应变片传感器具有可靠、可重复性好等特性,并且非常精确,广泛用于制造、工艺控制以及研究领域。它将应变转换为电信号,用于压力传感、重量测量、力和扭矩测量,以及材料分析等。应变片是一个简单的电阻,其阻值随所粘合的材料应变而变化。本文介绍用于温度补偿的max1452传感器信号调理器。max1452灵活的电桥激励方法大大提高了用户的设计自由度。本文主要关注带有和不带有电流放大的电压驱动电路,也可以实现很多其他电桥驱动配置。其他设计考虑包括在控制环路上使用外部温度传感器,在环路中送入out信号,实现传感器线性化调理(即,相对于测量参数的非线性)。
 
  目前可以提供的应变片具有较宽的零应变电阻选择范围,可以选择的传感器材料和相关技术也非常广泛,但在大量应用中主要采用了几类数值(例如,120ω和350ω)。过去,标准值很容易实现与基本磁反射计的连接,这些反射计含有匹配输入阻抗网络,从而简化了应变测量。

应变片的类型和组成

  金属应变片的生产采用了一定数量的合金,选择较小的应变片和应变材料温度系数差。钢、不锈钢和铝成为主要的传感器材料。也可以使用铍铜、铸铁和钛,“大部分”合金推动了温度兼容应变片的大批量低成本生产。350ω铜镍合金应变片是最常用的。

  厚膜和薄膜应变片具有可靠和易于生产的特性,适用于汽车行业,其生产一般采用陶瓷或者金属基底,在表面沉积绝缘材料。通过汽相沉积工艺将应变片材料沉积在绝缘层的表面。采用激光汽化或者光掩模和化学刻蚀技术在材料上刻出传感片和连接线。有时会加入保护绝缘层,以保护应变片和连接线。

  应变片材料一般包括专用合金,以产生所需的应变片阻抗、阻抗压力变化,以及(出于温度稳定性)传感器和基本金属之间的最佳温度系数匹配等。针对该技术开发了标称3kω至30kω的应变片和电桥电阻,用于生产压力和力传感器。

电桥激励技术

  应变片、薄膜和厚膜应变片传感器一般采用惠斯通电桥。惠斯通电桥将应变片应变产生的电阻转换为差分电压(图1)。+exc和-exc终端加上激励电压后,+vout和-vout终端上出现与应变成正比的差分电压。



  图1. 惠斯通电桥配置中连接的应变片

  在半有源惠斯通电桥电路(图2)中,电桥只有两个元件是应变片,它们响应材料中的应变。这种配置的输出信号(满量程负载一般为1mv/v)是全有源电桥的一半。



  图2. 半有源惠斯通电桥配置中连接的应变片

  另一种全有源电桥电路(图3)采用了四片以上有源350ω应变片。特征电桥电阻是350ω,输出灵敏度是2mv/v,应变片在较大范围内采用了应变材料。



  图3. 一种16应变片惠斯通电桥配置

温度对传感器性能的影响

  温度导致零负载输出电压漂移(也称为失调),在负载情况下使灵敏度出现变化(也定义为满量程输出电压),对传感器性能有不利的影响。传感器生产商在电路中引入温度敏感电阻,补偿这些变化的一阶影响,如图1-3所示。

  当温度变化时,电阻rfsotc和rfsotc_shunt调制电桥激励电压。一般而言,rfsotc材料有正温度系数,电桥激励电压随温度升高而降低。随着温度的提高,传感器输出对负载越来越敏感。降低电桥激励电压能够减小传感器输出,有效地抵消内在温度效应。电阻rshunt对温度或者应变不敏感,用于调整rfsotc产生的tc补偿量。0ω的rshunt能够抵消rfsotc的所有影响,而无限大的值(开路)将使能rfsotc的所有影响。该方法补偿一阶温度灵敏度的效果非常好,但是不能解决更复杂的高阶非线性效应。

  通过在电桥的一臂上插入温度敏感电阻来完成失调变化的温度补偿。这些电阻是图1-3中所示的rotc_pos和rotc_neg。分流电阻(rotc_shunt)调整rotc_pos或者rotc_neg引入的温度影响量。使用rotc_pos或者rotc_neg取决于失调是正温度系数还是负温度系数。

怎样实现电流激励驱动

  由于电桥电阻随负载变化,以及内置灵敏度补偿网络(图2中显示的rfsotc和rfsotc-shunt)中的电流过大或者电流反向等原因,使用电流来激励电桥传感器有很大的困难。

  可以采用各种方法来解决这些问题,实现电流激励驱动。一种简单的方法是使用max14

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