驱动应变桥传感器的信号调理I

应变片传感器具有可靠、可重复和精确的特点，广泛用于制造、过程控制和科研领域。应变片传感器把应变转换为压力传感器、重量测量、力和转矩测量及材料分析所用的电信号。应变片只不过是一个电阻器，其值随粘贴材料的应变而变化。

通用的应变片具有宽范围零应变电阻。传感器材料和工艺是造成其宽范围特点的原因，但几个值(如120W和350W)已成为应用中的主导。早期，标准值有助于简化应变测量，能够方便地与包含匹配输入阻抗网络的基本磁偏转表结合。

图1连接在惠斯登电桥配置中的应变片

图2连接在有源惠斯登半桥中的应变片

图3 16传感器惠斯登电桥配置

制造应变片所用的材料为有限的几种合金，所选合金应使传感器温度系数和应变材料之间的差别最小。传感器材料主要是钢，不锈钢和铝。也有用铍青铜、铸铁和钛。但大多数合金能制造大量低成本、温度适合的应变片。最通用的是350W康铜应变片。

高可靠性、容易制造的厚膜和薄膜传感器对汽车应用有较大的吸引力，这种传感器是在表面淀积绝缘材料的陶瓷或金属衬底上制造。用蒸发淀积工艺把传感器材料淀积在绝缘层的顶层。用激光汽化或光掩模和化学蚀刻工艺，把感测传感器和互连线值入金属中。有时增加一个保护绝缘层来保护传感器和互连线。

传感器材料通常包括一种专用合金，所选的合金能产生所希望的传感器阻抗、阻抗随应力的变化关系以及传感器和基层金属间最好的温度系数匹配。已开发出3KW~30KW标定传感器和桥阻抗，已用于制造压力和力传感器。

惠斯登桥通常用于片、薄膜或厚膜基应变片传感器中。惠斯登桥把传感器应变所引起的阻抗变化变换为差分电压(见图1)。当激励电压加到+Exc和-Exc端时，与应变成比例的差分电压呈现在+Vout和-Vout端。

在有源惠斯登半桥电路(图2)中，只有2个元件是响应于材料应变的传感元件。这种配置的输出信号(一般在满载荷时为1mV/V)是有源全桥的一半。

另一种有源全桥电路(图3)用4个以上的有源350W应变片。特征桥阻抗是350W，输出灵敏度是2mV/V，应变材料分布在较宽的测量区域。

温度会影响传感器性能，导致零阻抗输出电压漂移(也称之为失调)和负荷条件下灵敏度改变(也定义为满标输出电压)。传感器制造厂家在电路中加入热敏电阻对这些变化进行一阶补偿(见图1~3)。

随着温度的变化，电阻RFSOTC和RFSOTC-SHUNT调整桥激励电压。通常，RFSOTC材料具有正温度系数，可在温度上升时降低桥激励电压。随着温度的上升，传感器输出变得愈加对负载敏感，而降低的桥激励电压有效地抵消固有温度对降低传感器输出的影响。电阻RSHUNT对温度或应变不敏感，它用于微调RFSOTC的TC补偿值。OW的RSHUNT值将抵消RFSOTC所有影响，而RSHUNT开路时(阻值无限大)，将完全受RFSOTC的影响。这种方法用于温度灵敏度效应的一阶补偿相当好，但不能补偿更复杂和更高阶的非线性效应。

在桥的一个臂上加入热敏电阻，可实现偏移变化的温度补偿。这些电阻如图1-3所示的ROTC-POS或ROTC-NEG。并联电阻ROTC-SHUNT微调ROTC-POS或ROTC-NEG所引起的温度影响值。采用ROTC-POS还是ROTC-NEG？取决于偏移是正或负温度系数。

用电流激励桥传感器会导致桥阻抗随负载变化，而且电流会对消或使内置灵敏度补偿网络(图2中的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)无效。

有些方法对解决这些问题是有效的，并可启用电流激励驱动，而且较容易的方法是在配置中用MAX1452，提供电压驱动。此电路具有用电压激励提供所必须的大电流能力，但所需的外部元件数最少。MAX1452是一款完整的高集成度信号调理IC，可实现传感器激励、信号滤波和放大以及偏移和灵敏度的温度线性化。

MAX1452主要设计用于检测压力的硅压阻式传感器(PRT)。它包含4个16位△∑DAC、一个温度传感器以及用于桥传感器温度补偿和线性化的索引温度系数表(见图4)。通过检测元件和电压输出之间的模拟信号通路实现温度补偿和放大。此IC适合片状或薄膜应变片，用最少的外部电路来提供惠斯登桥的电压基激励和大电流驱动能力。

图4 MAX1452是一款用于桥传感器的高集成度信号调理IC

图5 PRT 用的桥刺激电路

MAX1452包含PRT电流激励电路(图5)。此电路包括电流镜像电路(T1和T2)此电路将基准电流放大14倍足以驱动2KW~5KW范围的PRT传感器。基准电流由RISRC和RSRC上的电压提供。此电压由运放U1反馈回路中的16位精密D/A转换器FSO DAC设置。

满量程输出DAC(FSO DAC)具有△∑结构并从闪存中的温度系数索引表取得数字输入。每1.5℃温度增量每4ms提供唯一的16位系数给DAC。DAC的输出电压驱动P沟道MOSFET T1的栅极，T1又产生足够的电流到RISRC和RSTC，