传感器电桥:基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计

2021/11/06 09:25 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器电桥:基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计已关闭评论
摘要:

传感器电桥:基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计相关推荐传感器在电子半导体行业应用明治传感器源自志奋领科技,成立于2010年,是一家全球领先的精密和智能传感器解决方案及产品设计制造商….传感器技术发表于10-2517:31?200次阅读量子传感器的性能分析量子

传感器电桥:基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计  第1张

传感器电桥:基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计

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-M -M 位置传感器配套仪表

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
9 – 30

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(mA):
4 – 20

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
0 – 10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
7.5

主体特性

信号调节 - LVDT/RVDT 重量?(g):
117

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
DIN 3

使用环境

工作温度范围?:
-20 – 75?°C?[?0 – 165?°F?]

操作/应用

...

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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

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电气特征

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压?(V):
±15

模拟输出?:
±10 V

电气连接?:
PT02A-10-6P

主体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸?:
圆柱形

弹簧回弹式?:
分离式铁芯, 分离式铁芯

壳体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料?:
不锈钢

外壳直径?:
4.78?mm?[?.188?in?]

使用环境

工作温度范围?:
0 – 70?°C?[?32 – 158?°F?]

环境规范?:
1,000 PSI 压力

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-M -M 角位移传感器 - RVDTRVIT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。?

产品类型特性

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 类型?:
RVDT

结构特性

电气连接?:
M12.5 针

电气特征

Input Current (Max)?(mA):
25

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 输出类型?:
0 – 10 VDC

主体特性

角度感应范围?(°):
0 – 120

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 重量?(g):
99

外壳材料?:

机械附件

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 安装?:
Servo Groove

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 -00 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
5 针连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
4 – 30

零加速输出?(mV):
±50

信号特征

频率响应?(Hz):
0-1500

主体特性

轴数?:
1

重量?:
16?g?[?.56?oz?]

材料?:
不锈钢

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-1 -1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。?

结构特性

Resolver Size?:
21

Pole Pairs?:
1

其他

Angular Error?('):
20

发表于 08-21 01:00 ?

8次
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315-120 315-120 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

12次
阅读

-00 341A-240 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

10次
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4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-300

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

发表于 08-21 01:00 ?

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4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-800

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

发表于 08-21 01:00 ?

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603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
20.8 x 20.8 x 14.5

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
100...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
14.6 x 10.2 x 7.6

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
...

发表于 08-21 01:00 ?

12次
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-000 -000 位置传感器配套仪表

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电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
±12, ±15

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
±10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
2.5 – 10

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
Printed Circuit Board Edge or Terminal Block

使用环境

工作温度范围?:
-1 – 55?°C?[?30 – 130?°F?]

其他

传感器类型?:
带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT

传感器通道?:
1

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-000 -000 线性位移传感器 - LVDT

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使用环境

工作温度范围?:
5 – 60?°C?[?41 – 140?°F?]

发表于 08-21 01:00 ?

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7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
IEPE

即插即用加速度计传感器类型?:
交流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
10-32 同轴连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±5

励磁电压?(VDC):
18 – 30

励磁电流?(mA):
2 – 10

信号特征

频率响应?(Hz):
0.3-

主体特性

轴数?:
1

重量?:
8.6?g?[?.303?oz?]

材料?:
不锈钢

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-020 -020 倾角传感器和倾角仪

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结构特性

接口?:
模拟

电气特征

电源电压?(VDC):
12 – 24

模拟接口?(mA):
4 – 20

端接特性

倾角传感器和测斜仪安装?:
垂直

尺寸

尺寸?(mm):
最多 70

倾角传感器和测斜仪精确度?(°):
最多 +/- .5

分辨率?(°):
最多 +/- .01

使用环境

测量原理?:
液体

工作温度范围?:
-25 – 60?°C?[?-13 – 140?°F?]

包装特性

倾...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 AST4300AP4P1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
非易燃压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
10 英尺导管

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

压力?:
344.73?bar?[?5000?psi?]

工作温度范围?:
-40 – 80?°C?[?-40 – 176?°F?]

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 AST4600AP4W1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
防爆型压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
导管 2 m 引线

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

工作温度范围?(°C):
-40 – 85

工作温度范围?(°F):
-40 – 185, -40 – 185

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

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传感器电桥:如何在对电桥传感器进行电路设计时避免陷入困境

仪表放大器可以调理传感器生成的电信号,从而实现这些信号 的数字化、存储或将其用于控制信号一般较小,因此,放大器 可能需要配置为高增益。另外,信号可能会叠加大共模电压, 也可能叠加较大直流失调电压。精密仪表放大器可以提供高增 益,选择性地放大两个输入电压之间的差异,同时抑制两个输 入中共有的信号。
惠斯登电桥是这种情况的经典例子,但像生物传感器一类的原 电池具有类似的特性。电桥输出信号为差分信号,因此,仪表 放大器是高精度测量的优选。理想情况下,无负载电桥输出为 零,但仅当所有四个电阻均完全相同时,这种情况方为真。假 如有一个以分立式电阻构建的电桥,如图 1 所示。最差情况差 分失调 VOS为

(1)

其中,VEX 为电桥激励电压, TOL 为电阻容差(单位为百分比)。
图 1 惠斯登电桥失调
例如,在各元件的容差均为 0.1%且激励电压为 5 V 时,差分 失调可以高达±5 mV。如果需要 400 的增益来实现所需电桥灵 敏度,则放大器输出端的失调变成±2 V。假设放大器由同一电 源驱动,并且其输出可以轨到轨摆动,则仅电桥失调就可能消 耗掉 80%以上的输出摆幅。在行业要求电源电压越来越小的趋 势下,这个问题只会变得更加糟糕。
传统的三运放仪表放大器架构(如图 2 所示)有一个差分增益 级,其后为一个减法器,用于移除共模电压。增益施加于第一 级,因此,失调放大的倍数与目标信号相同。因此,将其移除的方法是在参考(REF)端施加反电压。这种方法的主要不 足在于,如果放大器的第一级已经饱和,则调节 REF 上的电 压并不能更正失调。克服这点不足的几种方法包括:
根据具体情况,以外部电阻对电桥分流,但对于自动化 生产来说,这是不现实的,而且在出厂后是无法调整的
减少第一级增益,通过微调 REF 上的电压来移除失调, 并再添一个放大器电路以实现所需增益
减少第一级增益,以高分辨率 ADC 完成数字化输出,并 在软件中移除失调
后两种选项还需要考虑最差情况下与原始失调值的偏差,从而 进一步减少第一级的最大增益。这些解决方案并不理想,因为 它们需要额外的电源、电路板空间或成本,来达到高 CMRR 和低噪声的目标。另外,交流耦合并不是测量直流或超慢移动 信号的一种选择。
图 2 三运放仪表放大器拓扑结构
间接电流反馈(ICF)仪表放大器(如AD8237 和 AD8420可在放 大之前移除失调。图 3 显示ICF拓扑结构原理图。
图 3 间接电流反馈仪表放大器拓扑结构
该仪表放大器的传递函数在形式上与经典三运放拓扑结构的 传递函数相同,其计算公式为

(2)

由于输入之间的电压等于反馈(FB)与参考(REF)端子之间的电 压时,放大器的反馈要求可得到满足,因此,我们可将该公式 重写为

(3)

这意味着,引入一个等于反馈和参考端子之间失调的电压,即 使在存在大输入失调的情况下,也可将输出调整为零伏特。如 图 4 所示,该调整可以通过以下方法实现:从一个简单的电压 源(如低成本 DAC)或者来自嵌入式微控制器的滤波 PWM 信 号,通过电阻 RA 将一个小电流注入反馈节点。
图 4 带失调移除功能的高增益电桥电路
设计步骤
等式(3),1 与 R2 之比将增益设为:

(4)

设计师必须确定电阻值。较大电阻值可降低功耗和输出负载; 较小 值可限制FB输入偏置电流和输入阻抗误差。如果 R1 和 R2 的并联 组合大于约30 k?, 则电阻开始引起噪声。 表1显示了一些建议值。
表 1 各种增益的推荐电阻(1%电阻)

R1 (kω)
R2 (kω)
Gain


短路
1

49.9
49.9
2

20
80.6
5.03

10
90.9
10.09

5&
95.3
20.06

2&
97.6&
49.8&

1&
100
101

1&
200
201

1
499
500&

1
1000
1001

为了简化 RA值的查找过程,假设采用双电源运行模式,有一 个接地 REF 端子和一个已知的双极性调整电压 VA。这种情况 下的输出电压可通过以下公式计算:

(5)

注意, 从VA至输出的增益为反相。 VA 的增加会使输出电压降低, 比值为R2和 VA reduces the output voltage by a fraction given by the ratio of resistors R2 and RA之比。此比值下,可以针对给定的输入失调,使 调整范围达到最大。由于调整范围指向增益之前的放大器输入, 因此,即使在低分辨率源的情况下,也可实施微调。由于 RA 一 般都比 R1大得多,因此,我们可以得到等式(5)的近似值:

(6)

为了找到一个 RA值以允许最大失调调整范围 VIN(MAX), 在给定调 整电压范围 VA(MAX)的情况下,使VOUT=0 ,求 RA,结果得到

(7)

其中,VIN(MAX)为传感器预期的最大失调。等式(5)同时显示, 调整电路的插入会修改从输入到输出的增益。即使如此,其影 响一般也很小,增益可以重新计算为:

(8)

一般地,对于单电源电桥调理应用,参考端的电压应大于信号 地。如果电桥输出可以在正负间摆动,情况尤其如此。如果基 准电压源由一个低阻抗源(如分阻器和缓冲器)驱动至电压 VREF,如图 5 所示,则等式(5)变为:

(9)

如果相对于原始等式中的VREF取 VOUT 和VA ,则可得到相同 的结果。 VA(MAX) – VREF 也应替换等式(7)中的 VA(MAX)。
设计示例
假设有一个单电源电桥放大器,如图 4 所示,其中,用 3.3 V 电压来激励电桥并驱动放大器。满量程电桥输出为±15 mV, 失调可能处于±25-mV 的范围。为了取得所需灵敏度,放大器 增益需为 100,ADC 的输入范围为 0 V 至 3.3 V。由于电桥的 输出可以为正,也可以为负,因此,其输出指向中间电源或 1.65 V。只需通过施加 100 的增益,失调本身即会强制使放大器输 出处于–0.85 V 至+4.15 V 的范围内,这超过了电源轨。
这个问题可通过图 5 所示的电路来解决。电桥放大器A1 是一个 像AD8237 一样的ICF仪表放大器。放大器A2,带R4 和R5,将 A1 的零电平输出设为中间电源。AD 位DAC对输出进行 调整,通过RA使电桥失调为 0。然后,放大器的输出由AD7091微功耗 12 位ADC数字化。
图 5 针对单电源工作模式而修改的失调移除电路
从表1可以发现, 增益为101时, R1和R2 需为1 k?和100 k?。
电路包括一个可以在 0 V 至 3.3 V 范围内摆动,或者在 1.65V
基准电压左右摆动±1.65 V。为了计算 RA 的值,我们使用等式
(6)。其中,VA(MAX)=1.65 V 且 VIN(MAX)=0.025 V, RA=65.347 kω。当电阻容差为 1%时,最接近的值为 64.9 k?。然而,这
没有为源精度和温度变化导致的误差留下任何裕量,因此,我
们选择一个常见的 49.9-k? 低成本电阻。这样做的代价是调整
分辨率降低了,结果导致略大的调整后失调。
从等式(7),我们可以算出额定增益值为 103。如果设计师希望 得到接近目标值 100 的增益值,最简单的办法是使 R2 的值降 低 3%左右,至 97.6 k?,结果对 RA 的值的影响非常小。在新 的条件下,额定增益为 100.6。
由于DAC可以摆动±1.65 V,因此,总失调调整范围可通过由RA 以及R1和R2的并联组合形成的分压器给定,其计算方法如下:

(10)

在±25-mV 最大电桥失调范围内,±32.1-mV 的调整范围可提供 28%的额外调整裕量。对于 8 位 DAC,调整步长为

(11)

对于 250-μV 调整分辨率,输出端的最大残余失调为 12.5 mV。
R3 和 C1 c的值可以通过ADC数据手册中的建议值或参考文献2 来确定。对于采样率为 1 MSPS 的 AD7091,这些值为 51 ? 和 4.7 nF。在以较低速率采样时,可以使用较大的电阻或电容组 合,以进一步减少噪声和混叠效应。
该电路的另一个优势在于,可以在生产或安装时完成电桥失调 调整。如果环境条件、传感器迟滞或长期漂移对失调值有影响, 则可重新调整电路。
受其真轨到轨输入影响,AD8237 最适合采用超低电源电压的 电桥应用。对于要求较高电源电压的传统工业应用,AD8420 不失为一款良好的替代器件。该 ICF 仪表放大器采用 2.7 V 至 36 V 电源供电,功耗低 60%。
表 2 是对两款仪表放大器进行了比较。都使用了最小和最大规 格。有关更多详情和最新信息,请参见产品数据手册。
表 2 AD8237和 AD8420比较

技术规格
AD8237
AD8420

技术

CMOS
(零漂移)

双极性

静态电源电流
130 μA
80 μA

电源电压范围
1.8 V 至 5.5 V
2.7 V 至 36 V

输入电压范围
–VS – 0.3 V 至 +VS + 0.3 V

–VS – 0.15 V 至 +VS – 2.2 V

差分输入电压限值
±(VS – 1.2) V
±1 V

轨到轨输出

CMRR(G=100,dc至60 Hz)
114 dB
100 dB

失调电压
75 μV
125 μV

失调电压漂移
0.3 μV/°C
1 μV/°C

电压噪声频谱密度
68 nV/√Hz
55 nV/√Hz

增益误差(G=100)
0.005%
0.1%

增益漂移
0.5 ppm/ °C
10 ppm/ °C

带宽,–3 dB (G=100)

HBW 模式下为10 kHz

2.5 kHz

封装
MSOP-8
MSOP-8

参考电路

1AN212 Application Note. Handling Sensor Bridge Offset. Honeywell International Inc., Rev 05-05.
2HMC1001/HMC1002/HMC1021/HMC1022 1- and 2-Axis Magnetic Sensors Data Sheet. Honeywell International Inc., 2008.
3Kitchin, Charles and Lew Counts. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers. 3rd Edition. Analog Devices, Inc., 2006.
4NPC-410 Series Data Sheet. GE Sensing, 2006.
5Product Training Module. Indirect Current Feedback Instrumentation Amplifier Applications Guide. Digi-Key Corporation.
6Walsh, Alan. “Front-End Amplifier and RC Filter Design for a Precision SAR Analog-to-Digital Converter.” Analog Dialogue, Volume 46, 2012.
传感器电桥:基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计  第2张

传感器电桥:电桥式压力传感器工作原理分析

描述
电路的功能
应变仪、磁性电阻元件、半导体压力传感器等以电桥方式工作是很常见的。置方式有平衡驱动和方法又抱括恒压驱动和恒流驱动。本电路用数MA的恒定电流使传感器不平衡置偏,由仪表放大器接收。传感器采用扩散式压力传感器P-3000S-102G,压力范围为0~1KG/CM2。

电路工作原理
OP放大器A1为恒流输出电路,电流大小由基准电压VZ和传感电阻决定,本电路用可变电阻的最大阻,否则OP放大器输出会饱和、使工作不稳定。电桥电阻为为4.7K±30%,如果有1.5MA的偏流流过,就会产生最大为9.165V的等效电压,A1必须输出10.425V的电压,该电压是传感电压与电桥等效电压相加。调零方法是使电桥略不平衡,输出一定的电压进行调零。如果用下一级仪表放大器进行调零也行。平衡输入放大器加了滤除高频噪声的缓冲滤波器,时间常数根据最高响应频率确定。
仪表放大器为标准构成方式,该电路的增益AV由AV=1+(2R3/RG)决定,传感器输出灵敏度为100±30MV/FS,要使输出端获得0~+1V的电压,AV应等于7.7~14.3倍。RO的计算方法根据上面的公式为RO=2RS/(AV-1),所以RO=1.5~3K,考虑少许余量,在1K上串联一个2K的可变电阻。
调整
在传感器不加压情况下,调节VR1使偏流IB为1.5MA。断开传感器的一端,接上测量电流用的跨接线,对电流进行测量。没有必须进行准确的调节,可把VR1换成固定电阻。
用VR2调零,为了使变化范围不超出要求。R3、R4应尽量采用高阻值。最后给传感施加KG/CM2的压力,调整VR3直到输出端电压等于1.000V为止。为慎重起见,应收集0~1KG/CM2范围内的数据,并记录线性误差。
设计要点
采用半导体器件的传感器必定有温度系数,如果是P-3000S,用激光来微调厚膜电阻使具有较小的温度系数。但进行高精度测量时,必须考虑采用温度补偿电路问题,采取简单方法可用热敏电阻与RO串联,连升降环境温度,边进行调整。
这里采用了完善的差动放大电路,人们往往认为电路应具有低漂移特性,其实传感器输出为100MV/FS时,采用普通OP放大器就已是够了。
元件的选择
尽管所采用的传感器在元件表中没有列出,但如果是P3000S-102G,根据漂移等级,应在±0.02/0.04/0.1%FS中挑选。
基准电压二极管必须选用1.2V的产品。
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