賽普拉斯半導(dǎo)體公司基于片上系統(tǒng)的設(shè)計基于應(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)用是各種機械中的秤設(shè)計和力測量。氣動閥和土木工程應(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，其長度會沿圖1所示的相同方向延伸。伸長時，它還會經(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)變計的標(biāo)稱電阻通常在幾十Ω至幾kΩ之間。將應(yīng)變計連接到電子設(shè)備的第一個挑戰(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，電阻變化僅為0.2％。當(dāng)我們考慮標(biāo)稱電阻時，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，因為測量變得依賴于另一個因素。為了進行補償，制造商通常會根據(jù)所連接材料的溫度系數(shù)來對量規(guī)進行補償。這會降低熱敏性，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。為了消除這種情況，我們可以修改電橋，使其包括一個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。

向前邁進一步，我們可以得到一個有源計，該計在相反的方向受到影響（壓縮成細長形），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。

通過包括所有活動元件，每個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量規(guī)，而在軸向上包括兩個量測力的方向來最大化電路靈敏度。應(yīng)該注意的是，使用四個電橋不會增加電路靈敏度。因此，使用四個量規(guī)是不經(jīng)濟的。取而代之的是，應(yīng)在四分之一橋上串聯(lián)兩個量規(guī)。

錯誤的來源：
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。在實際應(yīng)用中，電阻公差會生效。由于電橋中的實際電阻變化很小，因此會導(dǎo)致電壓飽和以及大的共模偏移。諸如使用自動調(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。

第二個錯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)，在計算施加的有效力時應(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，這是誤差的另一個來源。

橋固定在物體表面上，以監(jiān)視所施加的力。導(dǎo)線會引入額外的電阻，并且會成為噪聲的來源。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）是電橋的激勵電壓。考慮到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償機制。

應(yīng)變計的接口電路設(shè)計：

在本節(jié)中，我們討論一種可能的應(yīng)變計接口電路。重點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。

總體設(shè)計如圖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信號饋送到電橋。使用PSoC中的可用運算放大器可以實現(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，該特性會過濾來自PWM發(fā)生器的正弦波，以饋入電橋作為激勵源。信號然后由儀表放大器（使用三個運算放大器拓撲）進行放大，然后使用混頻器和相同的正弦信號源進行下變頻。包含傳感器信息（節(jié)點電壓差）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的接口電路的方法。完整的設(shè)計可以使用賽普拉斯的PSoC在芯片上實現(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：

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。

3. Wendladt等人，“移動應(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