驱动应变桥传感器的信号调理IC

2004年7月A版

　　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。

　　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。

　　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，以产生等效的FSO DAC电压。通过T1的电流，由T2镜像放大14倍作为桥驱动电流。

　　电阻RSTC根据温度的变化实现传感器激励电流的一级调谐。对于硅PRT传感器，电流流过传感器桥时产生电压，电压则引起温度的变化。由此可见，传感器在桥电阻和温度之间提供了一个良好的传递函数。用电流激励传感器桥，可以按比例调节所产生桥电压，用作失调和灵敏度的一阶补偿。这一过程是通过将桥电压(BDR引脚)切换到满标程输出温度补偿DAC(FSOTC DAC)的基准输入来实现。注意，采用片状或厚膜应变片时一般不采用电流激励。

　　MAX1452的内部75KW电阻可用做RISRC和RSTC，或用开关SW1和SW2切换外部电阻(见图5)。ISRC引脚提供与运放的连接，并允许来自桥驱动的电压反馈。图6-8示出3个不同的电压驱动电路。

　　对于2KW或更高阻抗的传感器，图6所示的简单电路提供到桥的电压驱动激励。断开SW1和SW2禁止FSOTC DAC调变电路。连接引脚ISRC到BDR实现运放反馈回路，因此，得到来自桥激励电压的反馈。在供给桥电流时，晶体管T1和T2(它们是并联)使桥电压上升到FSO DAC电压。

　　连接惠斯登桥电路的低阻抗(120W~2KW)应变片或薄膜电阻器不能由T2直接驱动，但用射极跟随器配置的外部npn晶体管(图7)可解决此问题。流经npn晶体管的电流直接来自连接集极的VDD电源。运放U1驱动T1和T2使其进入导通状态，使桥电压升高。为了闭合回路，ISRC端的桥电压反馈到运放。调整桥电压来匹配FSO DAC输出电压。为了稳定，可加一个小的0.1mF电容跨接在桥上。

　　npn晶体管的发射结电压(VBE)具有较大的温度系数，但它所造成的影响可以通过反馈至U1的环路进行校准。低温时，VBE电压较大，最大桥电压限制在：

　　VBRIDGEMAX=VDD-VT2SAT-VBE

　　和VBE温度元件一样，TNPN的增益也需要温度校准，可以用控制反馈回路补偿它的影响。

　　为低阻抗桥提供足够驱动电流的另一种方法是增加一个小的外部电阻与T2并联(图8中的RSUPP)。RSUPP值保证桥电压略小于所希望的值(对于5.0V VDD为3.0V)。而T2提供升高桥电压到希望值所需的额外电流。因为处于关闭状态的T2所提供的电流最小，所以，RSUPP值应该是适合最低桥电压的要求。T2的最大电流(在4.0V VBDR为2mA)决定所允许的最大桥电压调节。此电路对于具有相当低温度系数灵敏度(TCS)、不需要明显桥电压调节的桥传感器是有用的。

　　由RSUPP温度系数所引起的灵敏度影响由U1的反馈调节补偿。在设计电路时，为保证一个足够的驱动电流容限，必须考虑RSUPP的最大和最小功率。

　　MAX1452灵活的桥激励方法为用户提供了相当大的设计自由度。本文集中讨论了带和不带电流激励的电压驱动情况，它还可以实现很多其他桥驱动配置。其他设计考虑包括控制回路用外部温度传感器，将输出信号馈入此回路实现传感器线性化(即测量参量的线性化)。■