目前可以提供的應(yīng)變片具有較寬的零應(yīng)變電阻選擇范圍，可以選擇的傳感器材料和相關(guān)技術(shù)也非常廣泛，但在大量應(yīng)用中主要采用了幾類數(shù)值(如120Ω和350Ω)。過(guò)去，標(biāo)準(zhǔn)值很容易實(shí)現(xiàn)與基本磁反射計(jì)的連接，這些反射計(jì)含有匹配輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)，從而簡(jiǎn)化了應(yīng)變測(cè)量。
應(yīng)變片的類型和組成
金屬應(yīng)變片的生產(chǎn)采用了一定數(shù)量的合金，選擇較小的應(yīng)變片和應(yīng)變材料溫度系數(shù)差。鋼、不銹鋼和鋁成為主要的傳感器材料。也可以使用鈹銅、鑄鐵和鈦，“大部分”合金推動(dòng)了溫度兼容應(yīng)變片的大批量低成本生產(chǎn)。350Ω銅鎳合金應(yīng)變片是最常用的。厚膜和薄膜應(yīng)變片具有可靠和易于生產(chǎn)的特性，適用于汽車行業(yè)，其生產(chǎn)一般采用陶瓷或者金屬基底，在表面沉積絕緣材料。通過(guò)汽相沉積工藝將應(yīng)變片材料沉積在絕緣層的表面。采用激光汽化或者光掩模和化學(xué)刻蝕技術(shù)在材料上刻出傳感片和連接線。有時(shí)會(huì)加入保護(hù)絕緣層，以保護(hù)應(yīng)變片和連接線。應(yīng)變片材料一般包括專用合金，以產(chǎn)生所需的應(yīng)變片阻抗、阻抗壓力變化，以及(出于溫度穩(wěn)定性)傳感器和基本金屬之間的最佳溫度系數(shù)匹配等。針對(duì)該技術(shù)開(kāi)發(fā)了標(biāo)稱3～30kΩ的應(yīng)變片和電橋電阻，用于生產(chǎn)壓力和力傳感器。
電橋激勵(lì)技術(shù)
應(yīng)變片、薄膜和厚膜應(yīng)變片傳感器一般采用惠斯通電橋。惠斯通電橋?qū)?yīng)變片應(yīng)變產(chǎn)生的電阻轉(zhuǎn)換為差分電壓如圖1所示。+Exc和-Exc終端加上激勵(lì)電壓后，+VOUT和-VOUT終端上出現(xiàn)與應(yīng)變成正比的差分電壓。
在半有源惠斯通電橋電路(如圖2所示)中，電橋只有兩個(gè)元件是應(yīng)變片，它們響應(yīng)材料中的應(yīng)變。這種配置的輸出信號(hào)(滿量程負(fù)載一般為1mV/V)是全有源電橋的一半。
另一種全有源電橋電路如圖3所示采用了四片以上有源350Ω應(yīng)變片。特征電橋電阻是350Ω，輸出靈敏度是2mV/V，應(yīng)變片在較大范圍內(nèi)采用了應(yīng)變材料。
圖1 惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片
圖2 半有源惠斯通電橋配置中連接的應(yīng)變片
圖3 一種16應(yīng)變片惠斯通電橋配置
溫度對(duì)傳感器性能的影響
溫度導(dǎo)致零負(fù)載輸出電壓漂移(也稱為失調(diào))，在負(fù)載情況下使靈敏度出現(xiàn)變化(也定義為滿量程輸出電壓)，對(duì)傳感器性能有不利的影響。傳感器生產(chǎn)商在電路中引入溫度敏感電阻，補(bǔ)償這些變化的一階影響，如圖3所示。當(dāng)溫度變化時(shí)，電阻RFSOTC和RFSOTC_SHUNT調(diào)制電橋激勵(lì)電壓。一般而言，RFSOTC材料有正溫度系數(shù)，電橋激勵(lì)電壓隨溫度升高而降低。隨著溫度的提高，傳感器輸出對(duì)負(fù)載越來(lái)越敏感。降低電橋激勵(lì)電壓能夠減小傳感器輸出，有效地抵消內(nèi)在溫度效應(yīng)。電阻RSHUNT對(duì)溫度或者應(yīng)變不敏感，用于調(diào)整RFSOTC產(chǎn)生的TC補(bǔ)償量。0Ω的RSHUNT能夠抵消RFSOTC的所有影響，而無(wú)限大的值(開(kāi)路)將使能RFSOTC的所有影響。該方法補(bǔ)償一階溫度靈敏度的效果非常好，但是不能解決更復(fù)雜的高階非線性效應(yīng)。通過(guò)在電橋的一臂上插入溫度敏感電阻來(lái)完成失調(diào)變化的溫度補(bǔ)償。這些電阻如圖3所示的ROTC_POS和ROTC_NEG。分流電阻(ROTC_SHUNT)調(diào)整ROTC_POS或者ROTC_NEG引入的溫度影響量。使用ROTC_POS或者ROTC_NEG取決于失調(diào)是正溫度系數(shù)還是負(fù)溫度系數(shù)。
