基于压力应变的放大电路实验

傅晓程，林 平，张德华

（1.浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州310027；2.浙江大学 电工电子国家级实验教学示范中心，浙江 杭州310058）

0 引言

传感器是实现非电量检测的元器件，非电量是指位移、力、角度、温度、气压、流量等各种物理量；而如图1所示的双孔梁应变贴片受力电路，可使力F转换为被检测的电量［1～2］。该结构共有4个应变片，当F=0时，R1=R2=R3=R4=R；当F施加一定外力时，R1=R2=R+ΔR，R3=R4=R-ΔR。

图1 双孔梁应变贴片受力电路

全桥测量电路如图2所示，在Ui加一直流电压，当F=0，UO=0 V；当施加一定力F时，R1、R2成比例增加△R，R3、R4成比例减小△R，引起电桥的不平衡而输出电压信号UO，该信号与梁端的受力F成正比。

图2 全桥测量电路

应变片的结构决定了在受到外力作用时，△R的变化量非常小，而应变片本身的R又比较大，这就使得输出电压信号UO很小，一般是毫伏级的信号。同时Ui激励电压不能太高，太高时会使得流过应变片的电路过大，引起应变片温度上升，应变片的电阻R发生变化［3］。

1 实验方案

本项目实验框图如图3所示，本实验压力信号采集电路的力传感器灵敏度为0.7±0.1 mV/V，应变电阻的阻值为1000±50Ω，激励电压采用5 V直流电压。最大重量700 g，则满量程时的输出电压UO=5 V×（0.7±0.1）mV/V=3.5±0.5 mV。而放大电路输入信号取自图1所示全桥测量电路的输出UO。放大电路部分用三种方案实现：单个通用运算放大器设计一个差分放大电路、通用运算放大器设计一个仪用放大电路或单片集成仪表放大器INA128构成放大电路。三个方案分别与力传感器、零点与增益调节电路和万用表一起构成称重电路，调节好电路后对5个不同重量的物体进行称重实验，这5个物体的重量可事先在标准电子秤上称好并记录。并以标准重量为横坐标，称重重量为纵坐标，画出此称重电路的特性曲线并计算其测量精度，比较以上三个称重电路的性能参数。

图3 基于重量的测量放大电路实验框图

2 放大电路方案

力传感器的输出电压信号太小，需要合适的放大电路放大到伏级电压后，才能输出给显示电路或A/D转换电路［4］。图4差分放大电路VS1和VS2来自图1的UO，当力传感器上不施加外力时，4个应变电阻R1=R2=R3=R4=R，力传感器的两个输出电压VS1=VS2=Ui/2；当力传感器上施加一定外力时，R1=R2=R+ΔR，R3=R4=R-ΔR，两个输出电压变成：VS1=Ui/2+ΔU；VS2=Ui/2-ΔU。

图4 差分放大电路

当激励电压Ui采用5 V直流电压时，结合力传感器的技术参数，可以看到，如果要把力传感器的输出电压信号放大到伏级的电压量，如满量程时需要放大电路输出3.5 V的电压量，则该差分放大电路的放大倍数必须为1000倍，同时由于力传感器的输出电阻为1000Ω，为了减小差分放大电路输入电阻对应变信号的影响，差分电路的输入电阻就应该远大于1000Ω［5］。基于这两点原因，实际的差分放大电路往往达不到高增益和高阻抗使用要求。

为解决高增益和高阻抗，可应用三个运算放大器构成的仪用放大电路，其特点为高增益、高输入阻抗、高共模抑制比和低漂移、低噪声、低输出电阻，仪用放大电路如图5所示［6～7］。

图5 同相并联型差分放大电路

从图5中可以看出，电路第一级由运放A1、A2组成双端输入、双端输出的差分放大器，由于信号Vs1、Vs2从同相端输入，所以电路具有很高的输入电阻。通过A3构成的第二级差分运算电路，而A3的增益通常设计为1，且要求该级的4个外接电阻必须严格相等，即R3=R4；由此该仪用放大电路的电压放大倍数因此，只要调节R1的大小，即可方便地调整放大器的增益而并不影响电路的对称性［8］。

三个运算放大器构成的仪用放大电路在具体的学生实验操作中接线多而复杂，容易引起干扰及误操作；元器件的不严格对称会带来测量误差等。昂贵的低功耗高精度的通用仪表放大器INA128内部电路结构是根据仪用放大器原理设计的典型三运放结构单片集成电路，一定程度上解决上述问题。INA128采用单个外部电阻可实现从1～10000的任一增益选择。计算公式其中，50 kΩ是芯片内部反馈电阻25 kΩ的两倍［9～10］。在制造中，此两个反馈电阻已被精确匹配，从而确保了整体增益的精确度。外部电阻RG的稳定性和温漂也对增益有影响，尤其是在高增益时，由于此时RG需要低电阻，所以接线电阻就很重要。

3 零点与增益调整电路

为了将前述放大电路的电压输出信号连接到显示电路或A/D转换电路等，还需要对该电压信号进行零点与增益调节，图6所示的电路为常见的一种零点与增益调节电路［11］。

图6 零点与增益调节电路

假设力传感器上放置了一个100 g的物体，按照力传感器的技术参数，将输出一个0.5 mV的直流信号，经过差分放大电路1000倍放大后，电路将输出0.5 V的直流信号。要想在数字万用表上显示100的数值，可以通过上面的零点与增益调节电路的RW1将0.5 V直流信号放大两倍，使Vout输出1 V的电压信号。此时若万用表选择2 V档量程，则在万用表上将会显示“1.000”，此显示数值与被称物体的实际重量相一致，唯一的区别是小数点的位置。

由于制造工艺的原因，力传感器在空载时会有一定的电压输出，前述放大电路也会有一定的零漂，也需要此零点与增益调节电路的RW2进行调整，使得当力传感器空载时输出电压Vout为0 V。

4 结语

对比三种放大电路方案组成的重量测量电路的测量精度，时常发现后者单运算放大器构成的方案优于三个运算放大器构成的方案，甚至会出现比集成仪用构成的方案更为精确，这与实验预期并不相符。分析原因有没有重新调零，调零电位器的调节精度较低，调零和调放大倍数时不一定能完全达到预期，实验元器件精密度是否达到要求等等，都使得调节存在较大不确定性。但是三种方案得到的数据与标准称重相差不大，基本满足预期效果，精度较高［12］。

因此，认真独立地完成该实验，将可使学生进一步加深已学理论知识的理解，进一步深化理论知识与实际应用的联系，以促进创新能力的培养。