電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹

1. 電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器工作原理

電阻式應(yīng)變式壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片組成的測(cè)量電路和彈性敏感元件組合起來(lái)的傳感器。當(dāng)彈性敏感元件受到外界壓力作用時(shí)，將產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在表面的電阻應(yīng)變片也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，電阻值會(huì)發(fā)生變化。這樣彈性體的變形轉(zhuǎn)化為電阻應(yīng)變片阻值的變化。

一般來(lái)說(shuō)，把4個(gè)電阻應(yīng)變片按照橋路方式連接，兩輸入端施加一定的電壓值，兩輸出端輸出的共模電壓隨著橋路上電阻阻值的變化增加或者減小。 這種變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系具有近似線性的關(guān)系。找到壓力變化和輸出共模電壓變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以通過(guò)測(cè)量共模電壓得到壓力值。

通常使用四臂工作的全橋接法測(cè)量電橋有較高的靈敏度應(yīng)變片式位移傳感器測(cè)量精度也較高，能起到溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

下圖為全橋的基本結(jié)構(gòu)

電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹全橋

V0:輸入電源電壓。U0:輸出共模電壓;

2. 電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器電路設(shè)計(jì)

下圖是電路框架結(jié)構(gòu)

電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹電路框架

電路一般由放大電路，濾波電路，電壓跟隨組成，U0為模擬量輸出。

1)放大電路：使用差分放大電路;

差分放大電路，比較常用的電路，可以使用分立式運(yùn)放來(lái)搭建差分運(yùn)放電路;如下圖：

電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹差分運(yùn)放電路

不過(guò)，由分立式運(yùn)放搭建的差分運(yùn)放電路，外圍器件比較多，而且器件本身有差異，外界干擾信號(hào)的影響等，可能會(huì)引起一些噪聲等誤差;比如R1,R2的阻值理想狀態(tài)是需要相同阻值，但是現(xiàn)實(shí)中由于生產(chǎn)工藝等原因不可能有相同阻值的電阻，多多少少都會(huì)存在一定偏差，所有說(shuō)運(yùn)放的結(jié)果也不會(huì)是理想狀態(tài)。

因此，為了減少外圍器件，以及不必要的誤差，建議在條件運(yùn)行的狀況下，采用儀表放大器，其內(nèi)部已經(jīng)集成了差分電路，所有使用時(shí)外圍器件比較少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受干擾情況也會(huì)減小。

常用的儀表運(yùn)放有AD620,INA128等;

下圖是INA128內(nèi)部結(jié)構(gòu)：此圖來(lái)自INA128數(shù)據(jù)手冊(cè);電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹INA128內(nèi)部電路

RG用來(lái)?xiàng)l件增益，根據(jù)傳感器以及實(shí)際電路來(lái)?xiàng)l件增益;儀表運(yùn)放使用時(shí)注意選項(xiàng)，供電電壓，增益調(diào)節(jié)范圍，輸入輸出阻抗，共模抑制比CMR，偏壓值，以及噪聲等;2)濾波電路;

濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而使規(guī)定范圍之外的信號(hào)不能通過(guò)。

濾波電路分為：低通濾波，高通濾波，帶通濾波，帶阻濾波;低通濾波：允許低頻率的信號(hào)通過(guò)，將高頻率的衰減;高通濾波：允許高頻率的信號(hào)通過(guò)，將低頻率的衰減;帶通濾波：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將頻帶范圍外的信號(hào)衰減;帶阻濾波：允許一定頻帶范圍之外的信號(hào)通過(guò)，將頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)衰減;濾波電路又分為：無(wú)源濾波，有源濾波;

無(wú)緣濾波：僅由無(wú)源器件(電阻，電容，電感)組成的濾波電路;其有很大的缺點(diǎn)，比如：電路增益小，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力差等。

有源濾波：指利用放大器，電阻和電容組成的濾波電路，主要用于數(shù)據(jù)傳輸，抑制干擾等方面;當(dāng)然其也有缺點(diǎn)：受運(yùn)放頻帶限制，這種濾波主要用于低頻范圍。

下圖就是一階有源低通濾波電路;

電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹輸入端RC構(gòu)成低通濾波，特征頻率由RC決定;

此電路特點(diǎn)就是：電路簡(jiǎn)單，但是阻帶衰減太慢，選擇性較差。

為了提高阻帶衰減特性，加快衰減，改善濾波效果，我們可以再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，構(gòu)成二階低通濾波，效果比一階要好很多;如下圖：

電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹實(shí)際電路中具體選哪種濾波呢，我們要根據(jù)實(shí)際使用要求等情況，做具體的選擇;3)電壓電路

下圖是電壓跟隨的示意圖：

電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器的說(shuō)明與應(yīng)用解析介紹電壓跟隨器

電壓跟隨，意思就是輸出電壓與輸入電壓相等，增益為一，起到電壓跟隨的作用。

許多應(yīng)用里面都會(huì)有電壓跟隨電路，但是呢很多人覺(jué)得既然是輸出電壓跟輸入電壓一致，那為何要添加電壓跟隨電路，不是多此一舉嘛，干脆去掉算了，其實(shí)看似簡(jiǎn)單，但是其有很大的作用，建議最好要有電壓跟隨電路;下面就簡(jiǎn)單介紹下電壓跟隨的幾個(gè)作用。

1)電壓跟隨起到緩沖的作用

這個(gè)緩沖起到承上啟下的作用，如果上一級(jí)信號(hào)輸出阻抗比較高，而下一級(jí)輸入阻抗比較小，那么這時(shí)信號(hào)就會(huì)有損耗，所有在此添加電壓跟隨電路，就可以在一定程度上避免這種現(xiàn)象。

2)電壓跟隨起到隔離的作用

電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特性，常用于中間級(jí)，以隔離前后級(jí)電路，消除前后級(jí)電路之間的相互影響。

3)電壓跟隨起到阻抗匹配的作用

電壓跟隨器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特性，使得它在電路中可以完成阻抗匹配的功能，使下一級(jí)電路工作的更好，尤其在音頻處理里面這個(gè)作業(yè)體現(xiàn)的更為出色。

3. 總結(jié)

電阻式應(yīng)變片電橋壓力傳感器，的使用比較常見(jiàn)，電路比較簡(jiǎn)單，基本上由運(yùn)放電路，濾波電路，跟隨電路組成后，就可以滿足普通的采樣使用;可以直接接入帶AD功能的MCU上進(jìn)行采樣，或者接AD轉(zhuǎn)換芯片，再接入MCU等;當(dāng)然實(shí)際使用過(guò)程中電壓，增益，量程等，根據(jù)相關(guān)傳感器手冊(cè)，芯片手冊(cè)等可自行調(diào)節(jié)。