硅壓阻壓力傳感器在地下水監(jiān)測中的應用

馮建華 袁愛軍 張 磊

(中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北 保定 071051)

0 引言

地下水水位是野外水文地質調查以及地下水常規(guī)監(jiān)測中最基本的一個指標。隨著科技的進步，各種地下水監(jiān)測設備層出不窮。同時，為了合理地開發(fā)和利用地下水資源，遏制已有的地下水環(huán)境問題進一步惡化，并防止新的地下水開發(fā)區(qū)出現(xiàn)類似問題，在加強勘查的基礎上，必須對地下水動態(tài)變化進行監(jiān)測［1］。按照國家有關標準，根據(jù)監(jiān)測變量的不同，地下水的動態(tài)監(jiān)測可分為地下水位監(jiān)測、地下水溫度監(jiān)測和地下水水質監(jiān)測［2］。在大部分監(jiān)測設備中，監(jiān)測地下水水位的傳感器通常是硅壓阻壓力傳感器。地下水水位的變化會引起水壓力的變化，而硅壓阻壓力傳感器正是利用這個變化的壓力信號來反映水位的變化的。本文介紹了比較常用的154N型壓力傳感器的激勵電路以及信號調理原理。

1 154N型壓力傳感器簡介

目前，耐高溫高頻響的壓力傳感器主要有壓電式和壓阻式兩大類［3］。硅壓阻式傳感器靈敏度通常比金屬應變計式傳感器高1～2個數(shù)量級，具有體積小、質量輕、分辨率高等特點，在各行各業(yè)得到了廣泛的應用［4］。文中涉及到的硅壓阻壓力傳感器經(jīng)常被應用于野外電池供電的監(jiān)測設備中。154N型硅壓阻壓力傳感器為固態(tài)結構，性能可靠，分為表壓型與絕壓型兩大類，具有很好的非線性(±0.1%)。它的內部充有硅油，水壓力通過傳感器上的316不銹鋼膜片以及硅油傳遞至壓力敏感元件，壓力敏感元件組成橋式測量電路。當四個電阻達到某一關系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，因此，電橋能夠精確地測量微小的電阻變化［5］。該傳感器內部具有溫度補償電路，而且具有一個出廠前經(jīng)激光調整的精密增益電阻，通過搭配少量外圍器件，可以實現(xiàn)±1%的量程互換性。這在設計液位監(jiān)測儀器尤其是壓力變送器中是非常重要的，因為一個性能優(yōu)異的傳感器調理電路，它的輸出信號應該不受傳感器的限制，調理電路應具有通用性。154N型壓力傳感器內部的增益電阻滿足這種要求。154N型壓力傳感器的內部結構示意圖如圖1所示，其引出線為六芯的扁平電纜。其中，(1)為信號正、(2)為供電負、(3)為供電正、(4)為信號負、(5)為增益調節(jié)電阻端1、(6)為增益調節(jié)電阻端2。

圖1 154N型硅壓阻壓力傳感器結構示意圖Fig.1 Structure of 154N silicon piezoresistive pressure transducer

2 壓力傳感器調理電路

154N型壓力傳感器的調理電路如圖2所示。

圖2 154N型壓力傳感器調理電路Fig.2 The conditioning circuit of 154N pressure transducer

該電路分為恒流激勵源和增益調整兩個部分。其中，電阻1、2、3、4為硅壓阻壓力傳感器內部的四個壓力應變片，它們將水壓力的變化轉化為差分的電信號;電阻r為經(jīng)過激光調整的精密增益調節(jié)電阻;R1、R2為精度為0.1%的金屬膜精密電阻，該電阻的溫度系數(shù)需要盡量小。兩個外接運算放大器需選擇低偏置電壓與低漂移的精密運放。大部分運算放大器內部至少集成了兩個性能指標幾乎一致的放大器，應用這種元器件可以得到很好的性能。恒流激勵源的輸出電流為0.996 mA。在這個電路的調理下，輸出信號范圍為0～2 V，并且該輸出信號范圍不隨所接入的傳感器類型(表壓或絕壓)以及量程范圍變化而變化，統(tǒng)一了輸出信號，且便于應用。

3 信號調理的原理

在如圖2所示的調理電路中，選擇0.996 mA的恒流激勵源以及100 kΩ的反饋電阻R1與R2，可以使電路達到最佳的調理效果。在出廠前，每只154N型壓力傳感器內部經(jīng)激光調整過的增益電阻r按照式(1)確定其阻值。

式中:Si為在參考激勵電流0.996 mA下傳感器未經(jīng)放大的信號;RF為參考反饋電阻，阻值為100 kΩ;Vamp為經(jīng)過放大的信號輸出。

當選擇其他任意阻值的反饋電阻時，輸出信號范圍為So，如式(2)所示。令未經(jīng)調理的輸入信號為Si，經(jīng)過調整后的信號為So，反饋電阻為R。

式中:A=I/Io，為實際調理電路中壓力傳感器激勵電流與參考電流的比值。

因為r是基于上述計算公式得到的，所以當按照確定r時的參數(shù)確定實際調理電路的各個參數(shù)時，即可得到A=1的結果。同時因為選擇100 kΩ反饋電阻，則式(2)中的So變?yōu)?

由式(3)可以看出，經(jīng)放大后的信號輸出與所選擇的傳感器已經(jīng)沒有關系了，變成固定值2，即信號輸出范圍為0～2 V，實現(xiàn)了輸出信號與傳感器的隔離。該電路需要的外圍器件很少，同時電流消耗理論值在1 mA左右。配合低功耗的微控制器系統(tǒng)，可以方便地組建采用電池供電的野外地下水監(jiān)測儀器。水文地質和災害地質的長期監(jiān)測是一項艱苦而重要的工作，監(jiān)測地點往往交通不便，有的還沒有電力設施，所以監(jiān)測儀器一般采用干電池供電、全自動工作、無人值守、定時測量等［6］。同時，地下水監(jiān)測是為保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展而開展的一項重要的基礎性、公益性工作［7］，這種傳感器與調理電路可以滿足基本的地下水水位監(jiān)測的需要。

4 試驗記錄

4.1 元器件的選擇

試驗調試電路按照圖2設計。元器件選擇如下。

①選擇德州儀器公司的精密運放OPA2335作為放大器件。該集成運放是該公司“零漂移”系列中的一款，具有極低的輸入偏置電壓與極小的溫度漂移，最大輸入偏置電壓值為5 μV，最大溫度漂移為0.05 μV/℃，性能相當優(yōu)異。

② 選擇精度為0.1%、溫度系數(shù)為25×10－6的精密金屬膜電阻作為增益調整部分的反饋電阻，保證壓力調整電路信號輸出的溫度穩(wěn)定性。

③ 選擇編號為15858-0008、18054-0010、18054-0048以及18054-0016的四只硅壓阻壓力傳感器來對比相同調理電路下的信號輸出的一致性。上述四只壓力傳感器量程范圍均為0～3.44×103Pa，可以測量相當于0～35 m變幅的水位變化。

4.2 試驗過程及數(shù)據(jù)分析

將四只壓力傳感器的輸出端連接調理電路的輸入端，調節(jié)該電路的激勵電流至0.996 mA。壓力傳感器的輸入端連接標準壓力儀的壓力輸出端，利用壓力儀產(chǎn)生高、低兩種壓力環(huán)境，觀察記錄兩種壓力環(huán)境下傳感器的輸出電壓。

低壓端壓強P0為試驗開始時的氣壓，值為1.01×103Pa，相當于10.28 m水深的壓力值，記錄此時壓力傳感器的輸出并作為低端壓力輸出值E0。利用標準壓力儀，給壓力傳感器施加外部壓力至傳感器輸出為滿量程2000 mV，記錄此時的標準壓力儀的讀數(shù)作為高端壓力標記值P1。設每只傳感器輸出隨壓力變化的相關系數(shù)為K，K值由式(4)確定。

理論上，四只壓力傳感器在達到滿量程輸出時壓力儀的讀數(shù)應為24.72 m。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)Tab.1 The test data

由表1可以看出，在同一個調理電路中，未作任何調整且換接四只不同的傳感器后，每只傳感器的相關系數(shù)仍保持非常好的一致性，說明在該調理電路下，154N型壓力傳感器的輸出信號得到了統(tǒng)一。

5 結束語

本文對154N型硅壓阻壓力傳感器及其調理電路的原理和使用情況進行了介紹。154N型硅壓阻壓力傳感器及其調理電路搭建簡單，需要的外圍器件很少，簡單實用，可以廣泛應用于高精度的水位監(jiān)測中。在設計電路時選擇性能可靠的元器件、繪制印制電路板時考慮好一些常見干擾的抑制，可以得到很好的水位信號輸出。上述調理電路已應用于高精度的液位監(jiān)測儀研發(fā)工作中，并在青藏高原地區(qū)進行實地應用，取得了良好的監(jiān)測效果。

［1］史云.地下水動態(tài)監(jiān)測技術現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.地下水開發(fā)利用與污染防治技術專刊，2009(6):133－135.

［2］史云，錢東平，呂長飛.基于智能網(wǎng)絡傳感技術的地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.農業(yè)工程學報，2008(S2):68－71.

［3］趙立波，趙玉龍，李建波，等.倒杯式高溫高頻響應壓阻式壓力傳感器［J］.西安交通大學學報:自然科學版，2010，44(7):50－54.

［4］施潮，梁福平，牛春暉.傳感器檢測技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:67.

［5］常健生.檢測與轉換技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999:42.

［6］馮蒼旭.用掉電方式解決長期監(jiān)測儀器的功耗問題［J］.水文地質工程地質，2000(3):57.

［7］史云，陳實，馮蒼旭.智能化監(jiān)測儀器在地下水監(jiān)測中的應用［C］∥全面建設小康社會:中國科技工作者的歷史責任——中國科協(xié)2003年學術年會論文集(上)，2003:316.