應(yīng)變計(jì)接口電路設(shè)計(jì)的工作原理分析

賽普拉斯半導(dǎo)體公司基于片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于應(yīng)變片的傳感器及其完整的模擬接口集成，賽普拉斯半導(dǎo)體公司

應(yīng)變片是用于測量物體應(yīng)變的有用傳感器。使用粘合劑將它們固定在受力的物體上。電阻的最終變化包含所施加力的信息。這有各種各樣的應(yīng)用。最常見的應(yīng)用是各種機(jī)械中的秤設(shè)計(jì)和力測量。氣動(dòng)閥和土木工程應(yīng)用，沖擊傳感器和醫(yī)療傳感器是一些其他應(yīng)用。

在眾多應(yīng)用中，應(yīng)變儀是有用的工業(yè)傳感器組件。為了準(zhǔn)確測量所施加的力，了解應(yīng)變儀及其參數(shù)很重要。需要對傳感器信號（電阻變化）進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，以使系統(tǒng)產(chǎn)生的信噪比足以準(zhǔn)確確定應(yīng)力的大小。它包括一個(gè)模擬信號調(diào)理路徑，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼。本文從對應(yīng)變儀的理解開始，并介紹了連接它們時(shí)必須意識到的各種非理想情況。

了解應(yīng)變儀：

應(yīng)變定義為在施加力的情況下物體的變形（在彈性極限范圍內(nèi)）。它是無量綱的量，根據(jù)應(yīng)變計(jì)所粘附的表面，它可以是拉伸的或壓縮的。

當(dāng)物體受到單軸力作用時(shí)，其長度會(huì)沿圖1所示的相同方向延伸。伸長時(shí)，它還會(huì)經(jīng)歷垂直收縮。這由泊松比定義，泊松比是垂直方向上的應(yīng)變與軸向上的應(yīng)變的負(fù)比。通常，應(yīng)變儀具有蛇形/纏繞圖案，以便在施加的力的作用下使導(dǎo)電材料的面積最大化。

應(yīng)變儀系在直接受力的物體上。這被稱為載體，將物理量的變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變儀電阻的線性變化。量表因子（G）用于關(guān)聯(lián)此變換，并由下式給出：

應(yīng)變計(jì)的標(biāo)稱電阻通常在幾十Ω至幾kΩ之間。將應(yīng)變計(jì)連接到電子設(shè)備的第一個(gè)挑戰(zhàn)是電阻變化的幅度。例如，應(yīng)變最大值為1m且應(yīng)變系數(shù)為2時(shí)，電阻變化僅為0.2％。當(dāng)我們考慮標(biāo)稱電阻時(shí)，這種變化很小。典型的變化可以是幾Ω或更低。除了應(yīng)對如此低的阻力外，在將力傳遞給電阻變化的過程中還會(huì)有許多誤差來源。理想情況下，施加的力應(yīng)使電阻成比例增加。但這不是由于寄生蟲引起的情況，例如，從應(yīng)變儀到電路的引線可能具有比實(shí)際變化更大的電阻。此外，應(yīng)變儀電阻的溫度系數(shù)也很關(guān)鍵，因?yàn)闇y量變得依賴于另一個(gè)因素。為了進(jìn)行補(bǔ)償，制造商通常會(huì)根據(jù)所連接材料的溫度系數(shù)來對量規(guī)進(jìn)行補(bǔ)償。這會(huì)降低熱敏性，但并不能完全消除它。

電阻式傳感器讀數(shù)：

惠斯通電橋配置是讀出傳感器信息的一種常用方法，在這種情況下，由傳感器電阻變化引起的不平衡會(huì)導(dǎo)致電壓差。

來自應(yīng)變儀的信息包含在差分信號（Vo）中。

一種簡單的測量方法是用應(yīng)變儀代替電橋（R1）的一個(gè)電阻，而臂的另一電阻保持在應(yīng)變儀的標(biāo)稱電阻（R3 = Rn）。這稱為四分之一橋方法。R2和R4保持相同的阻值。

對上述四分之一橋電路的另一種修改是在橋上增加了一個(gè)非常準(zhǔn)確的分流電阻，該電阻可用于校準(zhǔn)（在有分流電阻和無分流電阻的情況下找到電壓差，將可測量每Ω變化的電壓變化量）。

從（3）可以看出，輸出電壓取決于非線性項(xiàng)。為了消除這種情況，我們可以修改電橋，使其包括一個(gè)垂直于作用力的虛擬應(yīng)變儀而不是R3。該量規(guī)同樣受溫度影響，而不受感測量影響。

向前邁進(jìn)一步，我們可以得到一個(gè)有源計(jì)，該計(jì)在相反的方向受到影響（壓縮成細(xì)長形），從而使輸出線性相關(guān)，靈敏度為（4）的兩倍。這被稱為半橋方法。

通過包括所有活動(dòng)元件，每個(gè)臂具有受施加力的增加和減少影響的量規(guī)。這也稱為全橋方法，該方法涉及使用四個(gè)應(yīng)變儀，并導(dǎo)致幅度上最敏感的響應(yīng)。

對于使用全橋，通過在橫向上包括兩個(gè)量規(guī)，而在軸向上包括兩個(gè)量測力的方向來最大化電路靈敏度。應(yīng)該注意的是，使用四個(gè)電橋不會(huì)增加電路靈敏度。因此，使用四個(gè)量規(guī)是不經(jīng)濟(jì)的。取而代之的是，應(yīng)在四分之一橋上串聯(lián)兩個(gè)量規(guī)。

錯(cuò)誤的來源：
首先，在前面的所有分析中，我們都假設(shè)了理想的組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，電阻公差會(huì)生效。由于電橋中的實(shí)際電阻變化很小，因此會(huì)導(dǎo)致電壓飽和以及大的共模偏移。諸如使用自動(dòng)調(diào)零的抵消取消技術(shù)或修改以包括通過修整或校準(zhǔn)來調(diào)整公差的平衡電路的技術(shù)可以克服此問題。

第二個(gè)錯(cuò)誤是由于將儀表連接到電橋的導(dǎo)線電阻引起的，從而使應(yīng)變儀的測量變得不敏感。如（6）所示，這將導(dǎo)致修改后的儀表系數(shù)，在計(jì)算施加的有效力時(shí)應(yīng)將其用于校正。由于引線電阻對溫度的依賴性，該附加電阻導(dǎo)致失調(diào)，增益誤差，這是誤差的另一個(gè)來源。

橋固定在物體表面上，以監(jiān)視所施加的力。導(dǎo)線會(huì)引入額外的電阻，并且會(huì)成為噪聲的來源。將這些包括在四分之一橋配置中，可以使我們的輸出電壓為：

其中因子A由下式給出

通過使用三線連接可以克服引線電阻?？紤]圖3所示的三線電橋電路。RL表示線電阻，而電源（VS）是電橋的激勵(lì)電壓?？紤]到R1，R3相等，我們可以確定所得的應(yīng)變儀電阻為：

沒有電流流過的中間電阻充當(dāng)感測引線。為了獲得完全補(bǔ)償?shù)募僭O(shè)是引線電阻相同，具有相同的溫度系數(shù)并保持在相同的溫度下。實(shí)際上，這是不正確的，因此使用了其他復(fù)雜的方案，例如四線制或偏移補(bǔ)償機(jī)制。

應(yīng)變計(jì)的接口電路設(shè)計(jì)：

在本節(jié)中，我們討論一種可能的應(yīng)變計(jì)接口電路。重點(diǎn)將放在展示如何通過賽普拉斯的可編程片上系統(tǒng)（PSoC 3）封裝橋外的完整設(shè)計(jì)。

總體設(shè)計(jì)如圖14所示。我們在這里使用的配置是一種調(diào)制方案，其中使用正弦信號。

PWM發(fā)生器用于通過中心頻率為5kHz的帶通濾波器將源激勵(lì)信號饋送到電橋。使用PSoC中的可用運(yùn)算放大器可以實(shí)現(xiàn)有源帶通濾波器。C_hpf，R_hpf控制高通濾波器響應(yīng)，而R_gain，R_gainf提供增益，而R_lpf和C_lpf提供低通濾波。它們的級聯(lián)提供了所需的帶通特性，該特性會(huì)過濾來自PWM發(fā)生器的正弦波，以饋入電橋作為激勵(lì)源。信號然后由儀表放大器（使用三個(gè)運(yùn)算放大器拓?fù)洌┻M(jìn)行放大，然后使用混頻器和相同的正弦信號源進(jìn)行下變頻。包含傳感器信息（節(jié)點(diǎn)電壓差）的下變頻信號由???轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。

結(jié)論：

我們已經(jīng)將應(yīng)變儀描述為在工業(yè)應(yīng)用中有用的傳感器。討論了它們的工作原理，并顯示了影響測量的各種形式的誤差。最后，我們展示了一種使用橋的載波頻率激勵(lì)的接口電路的方法。完整的設(shè)計(jì)可以使用賽普拉斯的PSoC在芯片上實(shí)現(xiàn)，這可以提高性能并在此類接口應(yīng)用中提供所需的精度。

參考文獻(xiàn)：

1.“ PSoC3體系結(jié)構(gòu)TRM”，賽普拉斯半導(dǎo)體公司

2.“應(yīng)變儀選擇（TN-505）”，Vishay精密集團(tuán)。

3. Wendladt等人，“移動(dòng)應(yīng)用中的電阻應(yīng)變式傳感器的信號調(diào)理”，漢堡TU，SomSed Workshop，2009年。

編輯：hfy