賽普拉斯半導體公司基于片上系統的設計基于應變片的傳感器及其完整的模擬接口集成，賽普拉斯半導體公司

應變片是用于測量物體應變的有用傳感器。使用粘合劑將它們固定在受力的物體上。電阻的最終變化包含所施加力的信息。這有各種各樣的應用。最常見的應用是各種機械中的秤設計和力測量。氣動閥和土木工程應用，沖擊傳感器和醫療傳感器是一些其他應用。

在眾多應用中，應變儀是有用的工業傳感器組件。為了準確測量所施加的力，了解應變儀及其參數很重要。需要對傳感器信號（電阻變化）進行有效調節，以使系統產生的信噪比足以準確確定應力的大小。它包括一個模擬信號調理路徑，然后轉換為數字代碼。本文從對應變儀的理解開始，并介紹了連接它們時必須意識到的各種非理想情況。

了解應變儀：

應變定義為在施加力的情況下物體的變形（在彈性極限范圍內）。它是無量綱的量，根據應變計所粘附的表面，它可以是拉伸的或壓縮的。

當物體受到單軸力作用時，其長度會沿圖1所示的相同方向延伸。伸長時，它還會經歷垂直收縮。這由泊松比定義，泊松比是垂直方向上的應變與軸向上的應變的負比。通常，應變儀具有蛇形/纏繞圖案，以便在施加的力的作用下使導電材料的面積最大化。

應變儀系在直接受力的物體上。這被稱為載體，將物理量的變化轉換為應變儀電阻的線性變化。量表因子（G）用于關聯此變換，并由下式給出：

應變計的標稱電阻通常在幾十Ω至幾kΩ之間。將應變計連接到電子設備的第一個挑戰是電阻變化的幅度。例如，應變最大值為1m且應變系數為2時，電阻變化僅為0.2％。當我們考慮標稱電阻時，這種變化很小。典型的變化可以是幾Ω或更低。除了應對如此低的阻力外，在將力傳遞給電阻變化的過程中還會有許多誤差來源。理想情況下，施加的力應使電阻成比例增加。但這不是由于寄生蟲引起的情況，例如，從應變儀到電路的引線可能具有比實際變化更大的電阻。此外，應變儀電阻的溫度系數也很關鍵，因為測量變得依賴于另一個因素。為了進行補償，制造商通常會根據所連接材料的溫度系數來對量規進行補償。這會降低熱敏性，但并不能完全消除它。

電阻式傳感器讀數：

惠斯通電橋配置是讀出傳感器信息的一種常用方法，在這種情況下，由傳感器電阻變化引起的不平衡會導致電壓差。

來自應變儀的信息包含在差分信號（Vo）中。

一種簡單的測量方法是用應變儀代替電橋（R1）的一個電阻，而臂的另一電阻保持在應變儀的標稱電阻（R3 = Rn）。這稱為四分之一橋方法。R2和R4保持相同的阻值。

對上述四分之一橋電路的另一種修改是在橋上增加了一個非常準確的分流電阻，該電阻可用于校準（在有分流電阻和無分流電阻的情況下找到電壓差，將可測量每Ω變化的電壓變化量）。

從（3）可以看出，輸出電壓取決于非線性項。為了消除這種情況，我們可以修改電橋，使其包括一個垂直于作用力的虛擬應變儀而不是R3。該量規同樣受溫度影響，而不受感測量影響。

向前邁進一步，我們可以得到一個有源計，該計在相反的方向受到影響（壓縮成細長形），從而使輸出線性相關，靈敏度為（4）的兩倍。這被稱為半橋方法。

通過包括所有活動元件，每個臂具有受施加力的增加和減少影響的量規。這也稱為全橋方法，該方法涉及使用四個應變儀，并導致幅度上最敏感的響應。

對于使用全橋，通過在橫向上包括兩個量規，而在軸向上包括兩個量測力的方向來最大化電路靈敏度。應該注意的是，使用四個電橋不會增加電路靈敏度。因此，使用四個量規是不經濟的。取而代之的是，應在四分之一橋上串聯兩個量規。

錯誤的來源：
首先，在前面的所有分析中，我們都假設了理想的組成部分。在實際應用中，電阻公差會生效。由于電橋中的實際電阻變化很小，因此會導致電壓飽和以及大的共模偏移。諸如使用自動調零的抵消取消技術或修改以包括通過修整或校準來調整公差的平衡電路的技術可以克服此問題。

第二個錯誤是由于將儀表連接到電橋的導線電阻引起的，從而使應變儀的測量變得不敏感。如（6）所示，這將導致修改后的儀表系數，在計算施加的有效力時應將其用于校正。由于引線電阻對溫度的依賴性，該附加電阻導致失調，增益誤差，這是誤差的另一個來源。

橋固定在物體表面上，以監視所施加的力。導線會引入額外的電阻，并且會成為噪聲的來源。將這些包括在四分之一橋配置中，可以使我們的輸出電壓為：

其中因子A由下式給出

通過使用三線連接可以克服引線電阻。考慮圖3所示的三線電橋電路。RL表示線電阻，而電源（VS）是電橋的激勵電壓。考慮到R1，R3相等，我們可以確定所得的應變儀電阻為：

沒有電流流過的中間電阻充當感測引線。為了獲得完全補償的假設是引線電阻相同，具有相同的溫度系數并保持在相同的溫度下。實際上，這是不正確的，因此使用了其他復雜的方案，例如四線制或偏移補償機制。

應變計的接口電路設計：

在本節中，我們討論一種可能的應變計接口電路。重點將放在展示如何通過賽普拉斯的可編程片上系統（PSoC 3）封裝橋外的完整設計。

總體設計如圖14所示。我們在這里使用的配置是一種調制方案，其中使用正弦信號。

PWM發生器用于通過中心頻率為5kHz的帶通濾波器將源激勵信號饋送到電橋。使用PSoC中的可用運算放大器可以實現有源帶通濾波器。C_hpf，R_hpf控制高通濾波器響應，而R_gain，R_gainf提供增益，而R_lpf和C_lpf提供低通濾波。它們的級聯提供了所需的帶通特性，該特性會過濾來自PWM發生器的正弦波，以饋入電橋作為激勵源。信號然后由儀表放大器（使用三個運算放大器拓撲）進行放大，然后使用混頻器和相同的正弦信號源進行下變頻。包含傳感器信息（節點電壓差）的下變頻信號由???轉換器數字化。

結論：

我們已經將應變儀描述為在工業應用中有用的傳感器。討論了它們的工作原理，并顯示了影響測量的各種形式的誤差。最后，我們展示了一種使用橋的載波頻率激勵的接口電路的方法。完整的設計可以使用賽普拉斯的PSoC在芯片上實現，這可以提高性能并在此類接口應用中提供所需的精度。

參考文獻：

1.“ PSoC3體系結構TRM”，賽普拉斯半導體公司

2.“應變儀選擇（TN-505）”，Vishay精密集團。

3. Wendladt等人，“移動應用中的電阻應變式傳感器的信號調理”，漢堡TU，SomSed Workshop，2009年。

編輯：hfy