驅動(dòng)應變橋傳感器的信號調理IC

2004年7月A版

　　應變片傳感器具有可靠、可重復和精確的特點(diǎn)，廣泛用于制造、過(guò)程控制和科研領(lǐng)域。應變片傳感器把應變轉換為壓力傳感器、重量測量、力和轉矩測量及材料分析所用的電信號。應變片只不過(guò)是一個(gè)電阻器，其值隨粘貼材料的應變而變化。

　　通用的應變片具有寬范圍零應變電阻。傳感器材料和工藝是造成其寬范圍特點(diǎn)的原因，但幾個(gè)值(如120W和350W)已成為應用中的主導。早期，標準值有助于簡(jiǎn)化應變測量，能夠方便地與包含匹配輸入阻抗網(wǎng)絡(luò )的基本磁偏轉表結合。

　　制造應變片所用的材料為有限的幾種合金，所選合金應使傳感器溫度系數和應變材料之間的差別最小。傳感器材料主要是鋼，不銹鋼和鋁。也有用鈹青銅、鑄鐵和鈦。但大多數合金能制造大量低成本、溫度適合的應變片。最通用的是350W康銅應變片。

　　高可靠性、容易制造的厚膜和薄膜傳感器對汽車(chē)應用有較大的吸引力，這種傳感器是在表面淀積絕緣材料的陶瓷或金屬襯底上制造。用蒸發(fā)淀積工藝把傳感器材料淀積在絕緣層的頂層。用激光汽化或光掩模和化學(xué)蝕刻工藝，把感測傳感器和互連線(xiàn)值入金屬中。有時(shí)增加一個(gè)保護絕緣層來(lái)保護傳感器和互連線(xiàn)。

　　傳感器材料通常包括一種專(zhuān)用合金，所選的合金能產(chǎn)生所希望的傳感器阻抗、阻抗隨應力的變化關(guān)系以及傳感器和基層金屬間最好的溫度系數匹配。已開(kāi)發(fā)出3KW~30KW標定傳感器和橋阻抗，已用于制造壓力和力傳感器。

　　惠斯登橋通常用于片、薄膜或厚膜基應變片傳感器中?；菟沟菢虬褌鞲衅鲬兯鸬淖杩棺兓儞Q為差分電壓(見(jiàn)圖1)。當激勵電壓加到+Exc和-Exc端時(shí)，與應變成比例的差分電壓呈現在+Vout和-Vout端。

　　在有源惠斯登半橋電路(圖2)中，只有2個(gè)元件是響應于材料應變的傳感元件。這種配置的輸出信號(一般在滿(mǎn)載荷時(shí)為1mV/V)是有源全橋的一半。

　　另一種有源全橋電路(圖3)用4個(gè)以上的有源350W應變片。特征橋阻抗是350W，輸出靈敏度是2mV/V，應變材料分布在較寬的測量區域。

　　溫度會(huì )影響傳感器性能，導致零阻抗輸出電壓漂移(也稱(chēng)之為失調)和負荷條件下靈敏度改變(也定義為滿(mǎn)標輸出電壓)。傳感器制造廠(chǎng)家在電路中加入熱敏電阻對這些變化進(jìn)行一階補償(見(jiàn)圖1~3)。

　　隨著(zhù)溫度的變化，電阻RFSOTC和RFSOTC-SHUNT調整橋激勵電壓。通常，RFSOTC材料具有正溫度系數，可在溫度上升時(shí)降低橋激勵電壓。隨著(zhù)溫度的上升，傳感器輸出變得愈加對負載敏感，而降低的橋激勵電壓有效地抵消固有溫度對降低傳感器輸出的影響。電阻RSHUNT對溫度或應變不敏感，它用于微調RFSOTC的TC補償值。OW的RSHUNT值將抵消RFSOTC所有影響，而RSHUNT開(kāi)路時(shí)(阻值無(wú)限大)，將完全受RFSOTC的影響。這種方法用于溫度靈敏度效應的一階補償相當好，但不能補償更復雜和更高階的非線(xiàn)性效應。

　　在橋的一個(gè)臂上加入熱敏電阻，可實(shí)現偏移變化的溫度補償。這些電阻如圖1-3所示的ROTC-POS或ROTC-NEG。并聯(lián)電阻ROTC-SHUNT微調ROTC-POS或ROTC-NEG所引起的溫度影響值。采用ROTC-POS還是ROTC-NEG？取決于偏移是正或負溫度系數。

　　用電流激勵橋傳感器會(huì )導致橋阻抗隨負載變化，而且電流會(huì )對消或使內置靈敏度補償網(wǎng)絡(luò )(圖2中的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)無(wú)效。

　　有些方法對解決這些問(wèn)題是有效的，并可啟用電流激勵驅動(dòng)，而且較容易的方法是在配置中用MAX1452，提供電壓驅動(dòng)。此電路具有用電壓激勵提供所必須的大電流能力，但所需的外部元件數最少。MAX1452是一款完整的高集成度信號調理IC，可實(shí)現傳感器激勵、信號濾波和放大以及偏移和靈敏度的溫度線(xiàn)性化。

　　MAX1452主要設計用于檢測壓力的硅壓阻式傳感器(PRT)。它包含4個(gè)16位△∑DAC、一個(gè)溫度傳感器以及用于橋傳感器溫度補償和線(xiàn)性化的索引溫度系數表(見(jiàn)圖4)。通過(guò)檢測元件和電壓輸出之間的模擬信號通路實(shí)現溫度補償和放大。此IC適合片狀或薄膜應變片，用最少的外部電路來(lái)提供惠斯登橋的電壓基激勵和大電流驅動(dòng)能力。

　　MAX1452包含PRT電流激勵電路(圖5)。此電路包括電流鏡像電路(T1和T2)，此電路將基準電流放大14倍足以驅動(dòng)2KW~5KW范圍的PRT傳感器?；鶞孰娏饔蒖ISRC和RSRC上的電壓提供。此電壓由運放U1反饋回路中的16位精密D/A轉換器FSO DAC設置。

　　滿(mǎn)量程輸出DAC(FSO DAC)具有△∑結構并從閃存中的溫度系數索引表取得數字輸入。每1.5℃溫度增量每4ms提供唯一的16位系數給DAC。DAC的輸出電壓驅動(dòng)P溝道MOSFET T1的柵極，T1又產(chǎn)生足夠的電流到RISRC和RSTC，以產(chǎn)生等效的FSO DAC電壓。通過(guò)T1的電流，由T2鏡像放大14倍作為橋驅動(dòng)電流。

　　電阻RSTC根據溫度的變化實(shí)現傳感器激勵電流的一級調諧。對于硅PRT傳感器，電流流過(guò)傳感器橋時(shí)產(chǎn)生電壓，電壓則引起溫度的變化。由此可見(jiàn)，傳感器在橋電阻和溫度之間提供了一個(gè)良好的傳遞函數。用電流激勵傳感器橋，可以按比例調節所產(chǎn)生橋電壓，用作失調和靈敏度的一階補償。這一過(guò)程是通過(guò)將橋電壓(BDR引腳)切換到滿(mǎn)標程輸出溫度補償DAC(FSOTC DAC)的基準輸入來(lái)實(shí)現。注意，采用片狀或厚膜應變片時(shí)一般不采用電流激勵。

　　MAX1452的內部75KW電阻可用做RISRC和RSTC，或用開(kāi)關(guān)SW1和SW2切換外部電阻(見(jiàn)圖5)。ISRC引腳提供與運放的連接，并允許來(lái)自橋驅動(dòng)的電壓反饋。圖6-8示出3個(gè)不同的電壓驅動(dòng)電路。

　　對于2KW或更高阻抗的傳感器，圖6所示的簡(jiǎn)單電路提供到橋的電壓驅動(dòng)激勵。斷開(kāi)SW1和SW2禁止FSOTC DAC調變電路。連接引腳ISRC到BDR實(shí)現運放反饋回路，因此，得到來(lái)自橋激勵電壓的反饋。在供給橋電流時(shí)，晶體管T1和T2(它們是并聯(lián))使橋電壓上升到FSO DAC電壓。

　　連接惠斯登橋電路的低阻抗(120W~2KW)應變片或薄膜電阻器不能由T2直接驅動(dòng)，但用射極跟隨器配置的外部npn晶體管(圖7)可解決此問(wèn)題。流經(jīng)npn晶體管的電流直接來(lái)自連接集極的VDD電源。運放U1驅動(dòng)T1和T2使其進(jìn)入導通狀態(tài)，使橋電壓升高。為了閉合回路，ISRC端的橋電壓反饋到運放。調整橋電壓來(lái)匹配FSO DAC輸出電壓。為了穩定，可加一個(gè)小的0.1mF電容跨接在橋上。

　　npn晶體管的發(fā)射結電壓(VBE)具有較大的溫度系數，但它所造成的影響可以通過(guò)反饋至U1的環(huán)路進(jìn)行校準。低溫時(shí)，VBE電壓較大，最大橋電壓限制在：

　　VBRIDGEMAX=VDD-VT2SAT-VBE

　　和VBE溫度元件一樣，TNPN的增益也需要溫度校準，可以用控制反饋回路補償它的影響。

　　為低阻抗橋提供足夠驅動(dòng)電流的另一種方法是增加一個(gè)小的外部電阻與T2并聯(lián)(圖8中的RSUPP)。RSUPP值保證橋電壓略小于所希望的值(對于5.0V VDD為3.0V)。而T2提供升高橋電壓到希望值所需的額外電流。因為處于關(guān)閉狀態(tài)的T2所提供的電流最小，所以，RSUPP值應該是適合最低橋電壓的要求。T2的最大電流(在4.0V VBDR為2mA)決定所允許的最大橋電壓調節。此電路對于具有相當低溫度系數靈敏度(TCS)、不需要明顯橋電壓調節的橋傳感器是有用的。

　　由RSUPP溫度系數所引起的靈敏度影響由U1的反饋調節補償。在設計電路時(shí)，為保證一個(gè)足夠的驅動(dòng)電流容限，必須考慮RSUPP的最大和最小功率。

　　MAX1452靈活的橋激勵方法為用戶(hù)提供了相當大的設計自由度。本文集中討論了帶和不帶電流激勵的電壓驅動(dòng)情況，它還可以實(shí)現很多其他橋驅動(dòng)配置。其他設計考慮包括控制回路用外部溫度傳感器，將輸出信號饋入此回路實(shí)現傳感器線(xiàn)性化(即測量參量的線(xiàn)性化)?！?/P>