3. 桥式传感器类型

桥式传感器模拟前端的设计起点，不是运放选型，也不是滤波参数，而是敏感元件本身的物理结构与电学特性。金属应变片、半导体应变片、压阻式传感器和称重传感器虽然都常以惠斯通电桥形式输出差分毫伏信号，但它们的应变传递路径、灵敏度来源、温漂机理和桥臂配置差异很大，直接决定了后续激励方式、增益、调零与补偿策略。

一、四类器件的结构本质

金属应变片由金属箔栅、基底和覆盖层构成，粘贴在弹性体表面。其电阻变化来自导体几何尺寸变化：

ΔR/R = GF × ε
金属应变片 GF ≈ 2.0 ~ 2.2
半导体应变片 GF ≈ 80 ~ 200

金属应变片的灵敏系数主要来自长度与截面积变化，因此线性度好、温漂相对温和，但输出信号小，满量程常只有 1~3 mV/V。

半导体应变片利用硅或锗的压阻效应，电阻变化主要来自载流子迁移率随应力的改变，灵敏系数可比金属应变片高数十倍。代价是非线性明显、温度系数大，且对粘贴应力和封装应力敏感。它适合小量程、高分辨率场合，但模拟前端必须认真处理温漂和零点漂移。

压阻式传感器通常采用硅微加工工艺，在硅膜片或硅梁上扩散或离子注入形成压阻桥臂。它把敏感结构和电桥集成在同一芯片上，体积小、一致性较好，广泛用于压力、加速度和力测量。其桥臂电阻典型为 3.5 kΩ、5 kΩ 或 10 kΩ，满量程输出约 10~100 mV。

称重传感器是工程化封装后的力—电转换组件，内部可能使用金属应变片，也可能使用半导体或压阻元件。常见结构有柱式、悬臂梁式、双孔平行梁式、S 型和轮辐式。它输出的是与载荷成比例的差分电压，典型灵敏度为 1 mV/V、2 mV/V 或 3 mV/V，桥阻常见 350 Ω、700 Ω、1 kΩ。

二、电桥配置与输出特性

四类器件在电桥配置上通常分为全桥、半桥和四分之一桥。全桥灵敏度最高，且四个桥臂同时参与应变，能较好抵消拉压和温度共模；半桥常用于弯曲梁，需要两个应变片分别处于拉伸和压缩区；四分之一桥只用一个应变片，必须配精密补偿电阻，否则温漂和零点漂移会非常明显。

三、典型应用场景与前端取舍

在电子秤和工业称重中，称重传感器多为 350 Ω 低桥阻，激励电流较大，导线电阻和接触电阻会直接影响灵敏度。此时常采用六线制激励，把激励正负和反馈正负分开，让前端能感知实际桥压并做比例校正。若使用恒压激励，灵敏度随温度变化；若使用恒流激励，灵敏度温漂可被部分抵消，但桥阻温漂又会引入新的误差。

在压力变送器中，压阻式传感器输出常为 10~100 mV，且存在较大的零点偏置。模拟前端通常采用仪表放大器，第一级增益 50~200，第二级再放大到 ADC 满量程。若传感器与前端距离较远，应优先使用差分输入和屏蔽双绞线，避免共模干扰转化为差模误差。

四、常见误区与复盘

• 只看灵敏度，不看桥阻。低桥阻称重传感器会从激励源抽取较大电流，若激励源驱动能力不足，桥压会随负载变化，导致非线性。
• 忽略四分之一桥的补偿。单应变片电桥必须考虑温度补偿片和零点调零，否则温漂可能远大于有效信号。
• 把半导体应变片当金属应变片用。半导体应变片温漂大、非线性强，直接套用金属应变片的恒压激励和固定增益，往往无法满足精度。
• 忽视机械安装。称重传感器的安装偏心、侧向力和底座刚度都会改变应变分布，前端再精密也无法修正机械引入的误差。