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(如120Ω和350Ω)。過去，標(biāo)準(zhǔn)值很容易實(shí)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(hù)絕緣層，以保護(hù)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3～30kΩ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?；菟雇姌?qū)?yīng)變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)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(xiàn)與應(yīng)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(fù)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(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1 惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片
圖2 半有源惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片
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(fù)載輸出電壓漂移(也稱為失調(diào))，在負(fù)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(bǔ)償這些變化的一階影響，如圖3所示。當(dāng)溫度變化時，電阻RFSOTC和RFSOTC_SHUNT調(diào)制電橋激勵電壓。一般而言，RFSOTC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(fù)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RSHUNT對溫度或者應(yīng)變不敏感，用于調(diào)整RFSOTC產(chǎn)生的TC補(bǔ)償量。0Ω的RSHUNT能夠抵消RFSOTC的所有影響，而無限大的值(開路)將使能RFSOTC的所有影響。該方法補(bǔ)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(bǔ)償。這些電阻如圖3所示的ROTC_POS和ROTC_NEG。分流電阻(ROTC_SHUNT)調(diào)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(diào)是正溫度系數(shù)還是負(fù)溫度系數(shù)。
怎樣實(shí)現(xiàn)電流激勵驅(qū)動
由于電橋電阻隨負(fù)載變化，以及內(nèi)置靈敏度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示的RFSOTC和RFSOTC-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?？梢圆捎酶鞣N方法來解決這些問題，實(shí)現(xiàn)電流激勵驅(qū)動。一種簡單的方法是使用MAX1452，通過配置實(shí)現(xiàn)電壓驅(qū)動。該電路包括很少的外部元件，這些元件可滿足電壓激勵需要的大電流要求。MAX1452集成信號調(diào)理IC能夠完成傳感器激勵、信號濾波和放大、失調(diào)和靈敏度的溫度線性化等功能。MAX1452包括PRT電流激勵電路如圖4所示。電路包括一個電流鏡像(T1和T2)，將小參考電流放大14倍，足以驅(qū)動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(yùn)算放大器U1反饋環(huán)路中的16位精度滿量程輸出D/A轉(zhuǎn)換器(FSO DAC)設(shè)置。
FSODAC采用了Σ-Δ體系結(jié)構(gòu)，其數(shù)字輸入來自閃存中的溫度系數(shù)表。溫度每遞增1.5℃，每4ms向DAC提供唯一的16位系數(shù)。DAC輸出電壓驅(qū)動p溝道MOSFET T1的柵極，隨之向RISRC和RSTC驅(qū)動足夠的電流，產(chǎn)生等于FSODAC電壓的電壓。通過T1的電流，由T2鏡像放大14倍，成為電橋驅(qū)動電流。電阻RSTC使能傳感器激勵電流的一階調(diào)制，該電流是溫度的函數(shù)。對于硅片PRT換能器，當(dāng)電流通過電橋時，從結(jié)果傳感器電橋電壓中獲得溫度。這類傳感器在電橋電阻和溫度之間具有很好的傳輸函數(shù)。通過電流激勵電橋，您可以調(diào)整結(jié)果電橋電壓，利用它對失調(diào)和靈敏度進(jìn)行一階補(bǔ)償。這可以通過連接電橋電壓(引腳BDR)和滿量程輸出溫度補(bǔ)償DAC (FSOTCDAC)的參考輸入來實(shí)現(xiàn)。但是要記住，當(dāng)使用金屬片或者厚膜應(yīng)變片時，一般不適合采用電流激勵。|
圖4 PRT電橋激勵電路圖
