基于惠斯顿电桥的压力传感器的解决方案

所有类型的传感器在过去几年中都有了很大发展，而且与之前的产品相比，更加精确也更稳定。有的时候，这些传感器使用起来并不简单。面向这些传感器的调节电路设计师，经常发现此类电路的开发多少有些令人头疼。然而，只需少量基础知识并使用新的在线传感器设计工具，这个过程面临的很多挑战都能够迎刃而解。

虽然现在市面上有多种传感器，但压力传感器最为常见。因此，本文将讨论基于惠斯顿电桥压力传感器的基本工作原理，以及用于转换这种桥传感器输出的处理电路，包括偏移和增益校准。

基于惠斯顿电桥的压力传感器

许多压力传感器使用微机电系统(MEMS)技术，它们由4个采用惠斯顿电桥结构连接的压敏电阻组成。当这些传感器上没有压力时，桥中的所有电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增加，而另两个电阻的阻值将减小，而且增加和减小的阻值彼此相等。

遗憾的是，事情并非如此简单，因为传感器存在偏移和增益误差。偏移误差是指没有压力施加于传感器时存在输出；增益误差指传感器输出相对于施加于传感器外力的敏感程度。典型传感器一般规定激励电压为5V，具有20mV/V的标称满刻度输出。这意味着在激励电压为5V时，标称满刻度输出为：20 mV/V × 5 V = 100 mV.

偏移电压可能是2mV，或满刻度的2%；最小和最大满刻度输出电压可能是50mV和150mV，或标称满刻度的±50%。

假设两个电阻串联形成电阻串，由于是等值电阻，因此两电阻间的节点电压是电阻串电压的一半。如果一个电阻值增加1%，另一个电阻减小1%，那么两个电阻节点处的电压将改变1%。如果将两个电阻串进行并联，如图1所示，左边下方的电阻和右边上方的电阻阻值均减小1%，另外两个电阻增加1%，那么两个“中”点间的电压将从零差值变为改变2%。两个并行分支的这种配置就被称为惠斯顿桥。

图1：受激励电压VEX和差分输出电压V驱动的惠斯顿桥。

如果不了解偏移以及传感器输出电压和压力之间的真实关系，我们就只能粗略估计施加于传感器上的压力大小。这意味着需要采样校准的方法来获得更好的精度。

幸运的是，给定传感器的偏移和满刻度误差随时间变化相当稳定，因此一旦传感器得到校准，在该传感器生命期内可能无需改变校准系数就能满足精度要求。当然，在每次上电时通常需要再次校准系统。

基本信号调节电路由一个仪表放大器和一个模数转换器(ADC)组成。仪表放大器将来自传感器的小输出电压放大到适合ADC的电平，然后由ADC将放大后的传感器输出电压转换为数字式，再交给控制器或DSP处理(图2)。仪表放大器可以用来避免桥过载，而这种过载会改变传感器输出电压值。

图2：基本压力传感器调节电路。