基于壓力應變的放大電路實驗

傅曉程，林 平，張德華

（1.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州310027；2.浙江大學 電工電子國家級實驗教學示范中心，浙江 杭州310058）

0 引言

傳感器是實現非電量檢測的元器件，非電量是指位移、力、角度、溫度、氣壓、流量等各種物理量；而如圖1所示的雙孔梁應變貼片受力電路，可使力F轉換為被檢測的電量［1～2］。該結構共有4個應變片，當F=0時，R1=R2=R3=R4=R；當F施加一定外力時，R1=R2=R+ΔR，R3=R4=R-ΔR。

圖1 雙孔梁應變貼片受力電路

全橋測量電路如圖2所示，在Ui加一直流電壓，當F=0，UO=0 V；當施加一定力F時，R1、R2成比例增加△R，R3、R4成比例減小△R，引起電橋的不平衡而輸出電壓信號UO，該信號與梁端的受力F成正比。

圖2 全橋測量電路

應變片的結構決定了在受到外力作用時，△R的變化量非常小，而應變片本身的R又比較大，這就使得輸出電壓信號UO很小，一般是毫伏級的信號。同時Ui激勵電壓不能太高，太高時會使得流過應變片的電路過大，引起應變片溫度上升，應變片的電阻R發生變化［3］。

1 實驗方案

本項目實驗框圖如圖3所示，本實驗壓力信號采集電路的力傳感器靈敏度為0.7±0.1 mV/V，應變電阻的阻值為1000±50Ω，激勵電壓采用5 V直流電壓。最大重量700 g，則滿量程時的輸出電壓UO=5 V×（0.7±0.1）mV/V=3.5±0.5 mV。而放大電路輸入信號取自圖1所示全橋測量電路的輸出UO。放大電路部分用三種方案實現：單個通用運算放大器設計一個差分放大電路、通用運算放大器設計一個儀用放大電路或單片集成儀表放大器INA128構成放大電路。三個方案分別與力傳感器、零點與增益調節電路和萬用表一起構成稱重電路，調節好電路后對5個不同重量的物體進行稱重實驗，這5個物體的重量可事先在標準電子秤上稱好并記錄。并以標準重量為橫坐標，稱重重量為縱坐標，畫出此稱重電路的特性曲線并計算其測量精度，比較以上三個稱重電路的性能參數。

圖3 基于重量的測量放大電路實驗框圖

2 放大電路方案

力傳感器的輸出電壓信號太小，需要合適的放大電路放大到伏級電壓后，才能輸出給顯示電路或A/D轉換電路［4］。圖4差分放大電路VS1和VS2來自圖1的UO，當力傳感器上不施加外力時，4個應變電阻R1=R2=R3=R4=R，力傳感器的兩個輸出電壓VS1=VS2=Ui/2；當力傳感器上施加一定外力時，R1=R2=R+ΔR，R3=R4=R-ΔR，兩個輸出電壓變成：VS1=Ui/2+ΔU；VS2=Ui/2-ΔU。

圖4 差分放大電路

當激勵電壓Ui采用5 V直流電壓時，結合力傳感器的技術參數，可以看到，如果要把力傳感器的輸出電壓信號放大到伏級的電壓量，如滿量程時需要放大電路輸出3.5 V的電壓量，則該差分放大電路的放大倍數必須為1000倍，同時由于力傳感器的輸出電阻為1000Ω，為了減小差分放大電路輸入電阻對應變信號的影響，差分電路的輸入電阻就應該遠大于1000Ω［5］。基于這兩點原因，實際的差分放大電路往往達不到高增益和高阻抗使用要求。

為解決高增益和高阻抗，可應用三個運算放大器構成的儀用放大電路，其特點為高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比和低漂移、低噪聲、低輸出電阻，儀用放大電路如圖5所示［6～7］。

圖5 同相并聯型差分放大電路

從圖5中可以看出，電路第一級由運放A1、A2組成雙端輸入、雙端輸出的差分放大器，由于信號Vs1、Vs2從同相端輸入，所以電路具有很高的輸入電阻。通過A3構成的第二級差分運算電路，而A3的增益通常設計為1，且要求該級的4個外接電阻必須嚴格相等，即R3=R4；由此該儀用放大電路的電壓放大倍數因此，只要調節R1的大小，即可方便地調整放大器的增益而并不影響電路的對稱性［8］。

三個運算放大器構成的儀用放大電路在具體的學生實驗操作中接線多而復雜，容易引起干擾及誤操作；元器件的不嚴格對稱會帶來測量誤差等。昂貴的低功耗高精度的通用儀表放大器INA128內部電路結構是根據儀用放大器原理設計的典型三運放結構單片集成電路，一定程度上解決上述問題。INA128采用單個外部電阻可實現從1～10000的任一增益選擇。計算公式其中，50 kΩ是芯片內部反饋電阻25 kΩ的兩倍［9～10］。在制造中，此兩個反饋電阻已被精確匹配，從而確保了整體增益的精確度。外部電阻RG的穩定性和溫漂也對增益有影響，尤其是在高增益時，由于此時RG需要低電阻，所以接線電阻就很重要。

3 零點與增益調整電路

為了將前述放大電路的電壓輸出信號連接到顯示電路或A/D轉換電路等，還需要對該電壓信號進行零點與增益調節，圖6所示的電路為常見的一種零點與增益調節電路［11］。

圖6 零點與增益調節電路

假設力傳感器上放置了一個100 g的物體，按照力傳感器的技術參數，將輸出一個0.5 mV的直流信號，經過差分放大電路1000倍放大后，電路將輸出0.5 V的直流信號。要想在數字萬用表上顯示100的數值，可以通過上面的零點與增益調節電路的RW1將0.5 V直流信號放大兩倍，使Vout輸出1 V的電壓信號。此時若萬用表選擇2 V檔量程，則在萬用表上將會顯示“1.000”，此顯示數值與被稱物體的實際重量相一致，唯一的區別是小數點的位置。

由于制造工藝的原因，力傳感器在空載時會有一定的電壓輸出，前述放大電路也會有一定的零漂，也需要此零點與增益調節電路的RW2進行調整，使得當力傳感器空載時輸出電壓Vout為0 V。

4 結語

對比三種放大電路方案組成的重量測量電路的測量精度，時常發現后者單運算放大器構成的方案優于三個運算放大器構成的方案，甚至會出現比集成儀用構成的方案更為精確，這與實驗預期并不相符。分析原因有沒有重新調零，調零電位器的調節精度較低，調零和調放大倍數時不一定能完全達到預期，實驗元器件精密度是否達到要求等等，都使得調節存在較大不確定性。但是三種方案得到的數據與標準稱重相差不大，基本滿足預期效果，精度較高［12］。

因此，認真獨立地完成該實驗，將可使學生進一步加深已學理論知識的理解，進一步深化理論知識與實際應用的聯系，以促進創新能力的培養。