原创 惠斯通电阻桥式传感器的信号调理

惠斯通电阻桥式传感器的信号调理

1.导言

建立一个电阻桥式传感器要用到2个技术:应变片和集成电路.

应变片被广泛采用多年.通常,应变片粘结在刚性机构上.当外力施加到刚性机构上,应变片就会改变电阻值.应变式传感器通常用于力和压力测量.详情可参见Omega Engineering, Inc 网站 http://www.omega.com, The Pressure Strain and Force Handbook.

近来,单片电阻桥式传感器已经商用,电阻桥被集成到晶粒上.外力施加到晶粒上,电阻值随之变化.一般这种类型的传感器用于测量压力.详情可参见Sensym 网站 http://www.sensym.com, Solid–State Pressure Sensors Handbook.




图1给出电阻惠斯通电桥电路和它的戴维宁等效电路.外部激励电压加到Vexc 和 GND端,所有电阻相等,SIG+ 和 SIG– 之间电压为1/2 Vexc .

传感器设计成有外力时,桥路对边的电阻值变化±ΔR .SIG+ 和 SIG– 两端电压在1/2 Vexc附近变化.

在测量系统中,差动电压Vsig = (SIG+) – (SIG–)表示传感器测量的力或者压力的值.输出电压为:Vsig=Vexc × ΔR/R .既然ΔR和力/压力按比例变化,上式可写成Vsig = Vexc × F × S ,这里F是力或压力,S是灵敏度,即满量程输入时,1伏激励电压对应传感器的输出mV,灵敏度通常由传感器厂商提供.

惠斯通电阻桥式传感器可用戴维宁定理来分析,电路简化成为一个电压源和一个串联电阻.图1给出了戴维宁等效电路.和R相比,ΔR通常很小,所以戴维宁等效串联电阻(通常被看成是信号源内阻)可以认为是R.戴维宁等效电压源的共模分量等于1/2 Vexc ,差模分量等于1/2 Vsig .

2.信号调理

传感器的输出电压一般为10 mV 到100 mV 之间,在数据采集系统中,需要放大.一般使用三种电路放大信号,单运放差动放大器、三运放仪表放大器或者双运放仪表放大器.这几种放大器都是放大差模输入电压,抑制共模输入电压,都非常适合于惠斯通桥式传感器.根据设计需求的不同,某种电路可能比另一种电路更合适.

为了获得好的CMRR ,这三种电路都需要电阻匹配.这几种放大器的变化,如增加增益和失调调整,可以查阅有关文献.

2.1 单运放差动放大器

单运放差动放大器见图2 .它的输入阻抗相对较低,在进行增益计算时,需要考虑传感器的内部阻抗.




在进行增益计算时,戴维宁等效很有用.例如:

某只传感器电阻1kΩ,灵敏度10mV/V,5V激励.满量程时,电阻ΔR=10 Ω,使用高阻抗电压表测量SIG– 到 SIG+ 端50mV. 见图3.




假定放大器满量程输出5V,则增益为100.选择 R1 = R2 = 1 kΩ , R3 = R4 = 100 kΩ ,这看起来正确,但是测量一下输出却比期望的少了30%.哪里错了?

必须把信号源的阻抗考虑进来.见图4,使用戴维宁等效,很明显,要达到需要的增益100,R3、R4必须为150KΩ.




注意一点,反向输入端(SIG-)的阻抗不是常数,它随输出电压而变化,会引入一些非线性误差.

由于低成本,电路简单,单运放差动放大器还是很有吸引力的,经常被成功地采用.

2.2 三运放仪表放大器

三运放仪表放大器使用三个运放.电路见图5,它具有高的输入阻抗,计算增益时,信号源的阻抗不影响结果.为获得更好的CMRR性能,使用封装在一起的电阻R1-R4和RF,Rg设定增益.




2.3 双运放仪表放大器

双运放仪表放大器见图6,像三运放仪表放大器一样,它也有高的输入阻抗,却少用一个运放.计算增益时,信号源的阻抗不影响结果.




同样,使用封装在一起的电阻R1-R4,使用Rg来设定增益,有助于获得更好的CMRR性能.这个电路不像3运放仪表放大器那样是平衡的.SIG-信号通过2个运放,从SIG+看只有一个运放.