电桥式传感器电阻式应变片电桥压力传感器的说明与应用解析介绍

发布时间：2024-10-06 20:10:00

电阻式应变片电桥压力传感器的说明与应用解析介绍

电阻式应变片电桥压力传感器应用

1. 电阻式应变片电桥压力传感器工作原理

电阻式应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到外界压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，电阻值会发生变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。

一般来说，把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

通常使用四臂工作的全桥接法测量电桥有较高的灵敏度应变片式位移传感器测量精度也较高，能起到温度自动补偿的作用。

下图为全桥的基本结构

全桥

V0:输入电源电压。U0:输出共模电压；

2. 电阻式应变片电桥压力传感器电路设计

下图是电路框架结构

电路框架

电路一般由放大电路，滤波电路，电压跟随组成，U0为模拟量输出。

1）放大电路：使用差分放大电路；

差分放大电路，比较常用的电路，可以使用分立式运放来搭建差分运放电路；如下图：

差分运放电路

不过，由分立式运放搭建的差分运放电路，外围器件比较多，而且器件本身有差异，外界干扰信号的影响等，可能会引起一些噪声等误差；比如R1,R2的阻值理想状态是需要相同阻值，但是现实中由于生产工艺等原因不可能有相同阻值的电阻，多多少少都会存在一定偏差，所有说运放的结果也不会是理想状态。

因此，为了减少外围器件，以及不必要的误差，建议在条件运行的状况下，采用仪表放大器，其内部已经集成了差分电路，所有使用时外围器件比较少，电路结构简单，受干扰情况也会减小。

常用的仪表运放有AD620,INA128等；下图是INA128内部结构：此图来自INA128数据手册；

INA128内部电路

RG用来条件增益，根据传感器以及实际电路来条件增益；

仪表运放使用时注意选项，供电电压，增益调节范围，输入输出阻抗，共模抑制比CMR，偏压值，以及噪声等；

2）滤波电路;

滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过，而使规定范围之外的信号不能通过。

滤波电路分为：低通滤波，高通滤波，带通滤波，带阻滤波；

低通滤波：允许低频率的信号通过，将高频率的衰减；

高通滤波：允许高频率的信号通过，将低频率的衰减；

带通滤波：允许一定频带范围内的信号通过，将频带范围外的信号衰减；

带阻滤波：允许一定频带范围之外的信号通过，将频带范围内的信号衰减；

滤波电路又分为：无源滤波，有源滤波；

无缘滤波：仅由无源器件（电阻，电容，电感）组成的滤波电路；其有很大的缺点，比如：电路增益小，驱动负载能力差等。

有源滤波：指利用放大器，电阻和电容组成的滤波电路，主要用于数据传输，抑制干扰等方面；当然其也有缺点：受运放频带限制，这种滤波主要用于低频范围。

下图就是一阶有源低通滤波电路；

输入端RC构成低通滤波，特征频率由RC决定；

此电路特点就是：电路简单，但是阻带衰减太慢，选择性较差。

为了提高阻带衰减特性，加快衰减，改善滤波效果，我们可以再加一节RC低通滤波环节，构成二阶低通滤波，效果比一阶要好很多；如下图：

实际电路中具体选哪种滤波呢，我们要根据实际使用要求等情况，做具体的选择；

3）电压电路

下图是电压跟随的示意图：

电压跟随器

电压跟随，意思就是输出电压与输入电压相等，增益为一，起到电压跟随的作用。

许多应用里面都会有电压跟随电路，但是呢很多人觉得既然是输出电压跟输入电压一致，那为何要添加电压跟随电路，不是多此一举嘛，干脆去掉算了，其实看似简单，但是其有很大的作用，建议最好要有电压跟随电路；下面就简单介绍下电压跟随的几个作用。

1）电压跟随起到缓冲的作用

这个缓冲起到承上启下的作用，如果上一级信号输出阻抗比较高，而下一级输入阻抗比较小，那么这时信号就会有损耗，所有在此添加电压跟随电路，就可以在一定程度上避免这种现象。

2）电压跟随起到隔离的作用

电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，常用于中间级，以隔离前后级电路，消除前后级电路之间的相互影响。

3）电压跟随起到阻抗匹配的作用

电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，使得它在电路中可以完成阻抗匹配的功能，使下一级电路工作的更好，尤其在音频处理里面这个作业体现的更为出色。

3. 总结

电阻式应变片电桥压力传感器，的使用比较常见，电路比较简单，基本上由运放电路，滤波电路，跟随电路组成后，就可以满足普通的采样使用；可以直接接入带AD功能的MCU上进行采样，或者接AD转换芯片，再接入MCU等；当然实际使用过程中电压，增益，量程等，根据相关传感器手册，芯片手册等可自行调节。

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称重传感器功能原理，这些知识只有老师傅知道

称重传感器的测量采用应变式原理，应变片被固定在弹性体上。外力的作用导致弹性体产生形变，在弹性体上的应变片随之产生形变。由于应变片外部形状的变化，其电阻值也会相应发生变化。左上角和右下角应变片被压缩，电阻薄膜变短，阻值变小。右上角和左下角应变片被拉伸，电阻薄膜变长，阻值变大。对于每只称重传感器，至少4个应变片被连接在一起组成一个惠斯通电桥。当传感器受力导致应变片电阻发生变化时，电桥不平衡。在激励电压不变的情况下，输出信号的大小与传感器受力成正比。

对于四线制传感器，只有下图黑色所示的四个电缆，其中EXC+和EXC-是称重模块给传感器的激励，SIG+和SIG-为称重传感器的输出；对于六线制传感器，会多出两根红色的线，SENSE+和SENSE-它们的作用是什么呢？

一般称重传感器和称重模块之间的距离比较远，称重模块给传感器的供电电压假设为10V，那么由于线路的损耗，该激励信号到达称重传感器时小于10V，在同样受力情况下，传感器的输出信号与供电电压成正比，所以称重模块通过一个高阻抗回路将传感器侧实际的供电电压反馈给称重模块，称重模块通过内部的比较器对输出的供电电压进行调节。称重模块可以连接四线制和六线制传感器都可以。如果连接四线制传感器，需要在接线盒或者称重模块侧将SENSE+与EXC+短接，SENSE-与EXC-短接。

如果称重模块与传感器距离很远，比如100-200米，而且传感器是四线制传感器，那么建议用户在接线盒上将传感器的SENSE+与EXC+短接，SENSE-与EXC-短接，这样从接线盒出来后传感器就变成了六线制了，通过专用的传感器连接电缆，连接至称重模块即可，如下图所示。

如果称重模块和传感器距离很近，比如几米，那么只需在称重模块上将SENSE+与EXC+短接，SENSE-与EXC-短接即可。

称重传感器常见问题;

1．接线前先检测传器输入和输出阻抗，如已接线，应断开接线以后再测量。输入阻抗（Ex+与Ex-之间）为400±30Ω，（或700±30Ω高阻型），输出阻抗（SIG+与SIG-之间）为350±5Ω（或650±20Ω高阻型），如阻抗不对，应更换传感器；

2．称重为负值，将传感器输出信号正负端对调，即可为正值；

3．上电测试时，传感器输出信号正负端间零点（即空称）电压应在仪表测量范围内；

4．模拟信号对杂信干扰敏感，因此传感器电缆应使用屏蔽线且长度应尽可能短，并且要远离其它电源线和控制线，以避免干扰。

在使用过程中，发生称重显示错误，不稳定等故障时，按以下步骤检修；

1．传感器与仪表连线是否正确注意接头是否牢靠，有无潮湿漏电；

2．测量传感器输入和输出阻抗，如已接线，应断开接线以后再测量，否则会因仪表内阻影响测量结果。参上页图示，输入阻抗，（Ex+与Ex-之间）为400±30Ω，（或700±30Ω高阻型），输出阻抗（SIG+与SIG-之间）为350±5Ω（或650±20Ω高阻型），如阻抗不对，应更换传感器；

3．上电测试零点电压值是否在仪表的信号测量范围内之间，否则更换传感器；

4．单只传感器轮流测试，已区分有问题的传感器；

5．初次连线时，每只传感器信号正负端颜色是否对应，否则会因受力后信号电压变化相互抵消而显示不稳定。

故障排查方法：

1．传感器输入与输出内阻是否正常。

2．上电测试信号端零点电压大小，与计算值相比是否接近。

3．单只传感器轮流测试是否正常。

4．用模拟器或好的称斗测试仪表是否正常。

5．检查传感器连线上接头是否牢固，接触是否良好，是否潮湿漏电。

6．观察每只传感器信号正负端颜色是否一致，单独测试每只传感器是否正常。

7．观察传感器与仪表连接线是否正确，接头是否牢固接触是否良好。

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