壓阻式高溫壓力傳感器溫度補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)與測(cè)試

薛勝方，梁 庭，雷 程，李志強(qiáng)，單存良

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051；2.動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

0 引言

在高溫測(cè)試環(huán)境中，硅基MEMS壓阻式壓力傳感器的敏感芯片的壓敏電阻具有正溫度系數(shù)，壓敏電阻的阻值會(huì)隨著測(cè)試溫度的升高而增大；而芯片自身具有負(fù)溫度系數(shù)的壓阻系數(shù)，隨著測(cè)試溫度的升高而減小，產(chǎn)生的結(jié)果就是壓力傳感器敏感芯片的電橋輸出零位和靈敏度電壓都會(huì)隨著測(cè)試溫度的變化而產(chǎn)生漂移[1]。

對(duì)于耐高溫應(yīng)用的壓力敏感芯片，由于芯片本身的加工工藝條件受限以及高溫高壓的測(cè)試環(huán)境等嚴(yán)苛條件下，溫度的改變會(huì)導(dǎo)致測(cè)量參數(shù)的漂移是，對(duì)傳感器的測(cè)量精度產(chǎn)生影響[2]。因此，對(duì)傳感器的敏感芯片進(jìn)行溫度補(bǔ)償及信號(hào)調(diào)理進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試也是傳感器整體性能表現(xiàn)的關(guān)鍵因素，本文基于SOI倒裝壓阻式高溫壓力敏感芯片，對(duì)其溫度補(bǔ)償及其后端信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并對(duì)整體傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，性能表現(xiàn)良好。

1 高溫敏感芯片溫度補(bǔ)償研究

壓阻式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量的原理是硅的壓阻效應(yīng)，當(dāng)被測(cè)壓力介質(zhì)作用在芯片上時(shí)，引起敏感膜表面各處的應(yīng)力發(fā)生變化，芯片上的壓力變化引起壓敏電阻變化進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)，通過惠斯通電橋電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出[3]。

其電橋補(bǔ)償參數(shù)主要包含三個(gè)方面：零位補(bǔ)償、零位溫度漂移補(bǔ)償和靈敏度溫度漂移補(bǔ)償。電橋參數(shù)溫度補(bǔ)償?shù)姆绞街饕譃檐浖a(bǔ)償、硬件補(bǔ)償、軟件硬件同時(shí)補(bǔ)償[4]。

其中，硬件補(bǔ)償?shù)姆绞捷^多，經(jīng)常采用的硬件補(bǔ)償方式有熱敏電阻補(bǔ)償、低溫度系數(shù)的電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償、二極管補(bǔ)償、三極管補(bǔ)償和可增益運(yùn)算放大器補(bǔ)償?shù)龋卉浖a(bǔ)償通常是采用反函數(shù)法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等技術(shù)算法的方式補(bǔ)償；硬件軟件同時(shí)補(bǔ)償是在硬件補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上再用軟件補(bǔ)償方法加以修正，以得到更高的補(bǔ)償精度[5]。相比較軟件補(bǔ)償，硬件補(bǔ)償具有簡(jiǎn)單、高效、低成本的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)制造中更容易實(shí)現(xiàn)，因此得到廣泛應(yīng)用。

1.1 溫度補(bǔ)償模型及算法研究

本次設(shè)計(jì)分析的模型為無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型，采用低溫度系數(shù)電阻實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償。與其它的硬件補(bǔ)償方法相比，它們所采用的的補(bǔ)償方式均要求補(bǔ)償電路緊靠敏感頭橋臂電阻，保證補(bǔ)償電路與橋臂電阻處于同一溫度場(chǎng)中，通過感知橋臂電阻周圍的溫度變化來(lái)補(bǔ)償電橋的輸出溫度漂移。而低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是不要求補(bǔ)償電路緊靠敏感頭橋臂電阻，這使得低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電路使用更靈活，傳感器敏感頭封裝更便捷，同時(shí)由于消除了補(bǔ)償電路與壓阻電橋的環(huán)境溫度梯度的影響，可以進(jìn)一步地提高補(bǔ)償精度[6]。

常規(guī)低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電路原理如圖1所示。

圖1 常規(guī)低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電路

其中，零位補(bǔ)償和零位溫度漂移補(bǔ)償公式如式(1)～式(3)所示，靈敏度溫度漂移補(bǔ)償公式如式(4)所示。其中，RB為橋臂電阻，VOS為電橋零位輸出電壓，VB為橋臂電壓，TCRB為橋臂電阻RB的溫度系數(shù)，α為輸出電壓靈敏度的溫度系數(shù)。

RS=KRB

(1)

(2)

(3)

(4)

但是，利用該算法公式的前提是壓阻電橋的4個(gè)橋臂電阻阻值相差不大，溫度系數(shù)一致且不考慮傳感器封裝后殘余應(yīng)力帶來(lái)的影響，否則會(huì)導(dǎo)致零位溫度漂移補(bǔ)償失效，進(jìn)而影響靈敏度溫度補(bǔ)償效果。而本次設(shè)計(jì)提出的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型是基于傳感器敏感頭封裝后的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行解算求解的，不受敏感頭封裝的殘余應(yīng)力、電橋自身參數(shù)偏移等影響，補(bǔ)償精度較高且具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

1.1.1 低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償原理

低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償是指在低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償中，補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)視為零，或者是與壓敏電橋橋臂電阻相比較時(shí)，補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)可以選擇忽略，即補(bǔ)償電阻溫度系數(shù)的大小應(yīng)小于橋臂電阻溫度系數(shù)的1%[7]。通常情況下，壓阻硅壓敏電阻的溫度系數(shù)大于2 000 ppm，而低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)中的補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)應(yīng)該小于200 ppm[8]。

1)電橋零位補(bǔ)償和零位溫度漂移補(bǔ)償

已知電橋橋臂電阻Rt的溫度表達(dá)式如式(5)所示，其中αR為橋臂電阻溫度系數(shù)，其表達(dá)式如式(6)所示：

Rt=R0(1+αR(t-t0))

(5)

(6)

零位補(bǔ)償和零位溫度漂移補(bǔ)償?shù)闹饕ぷ鞣绞綖樵跇虮垭娮璧奈恢蒙贤ㄟ^串聯(lián)或者并聯(lián)的方式增加一個(gè)低溫度系數(shù)的電阻，通過改變電橋中某一個(gè)橋臂的電阻值和溫度系數(shù)，從而達(dá)到零位補(bǔ)償和零位溫度漂移補(bǔ)償?shù)男Ч鸞9]。

當(dāng)采用串聯(lián)低溫度系數(shù)電阻方式時(shí)，電阻G的溫度系數(shù)非常小，可視為零，如式(7)所示。通過計(jì)算可得到補(bǔ)償后的整體橋臂的總溫度系數(shù)，與式(6)相比較，通過串連低溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻G后的橋臂整體溫度系數(shù)αR+G要小于原來(lái)未補(bǔ)償?shù)臉虮垭娮铚囟认禂?shù)αR。

(7)

當(dāng)采用并聯(lián)低溫度系數(shù)電阻的方式時(shí)，同上，其中補(bǔ)償電阻G的溫度系數(shù)近似為零，通過公式計(jì)算可得到總體橋臂的溫度系數(shù)，計(jì)算公式如式(7)所示。通過計(jì)算結(jié)果可知，通過并聯(lián)補(bǔ)償后的橋臂整體溫度系數(shù)αR∥G小于原來(lái)未補(bǔ)償?shù)臉虮垭娮铚囟认禂?shù)αR。

(8)

由上面分析可知，增加串行補(bǔ)償電阻阻值或減小并行補(bǔ)償電阻阻值均能降低橋臂電阻的溫度系數(shù)。

2)電橋靈敏度溫度漂移補(bǔ)償設(shè)計(jì)

電橋靈敏度溫度漂移補(bǔ)償?shù)姆绞绞窃诤銐涸垂╇娤拢ㄟ^在惠斯通電橋外部串聯(lián)低溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻Rs(如圖2(a)所示)；或者是在恒流源供電模式下，在惠斯通電橋的外部通過并聯(lián)低溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻Rp(如圖2(b)所示)方式實(shí)現(xiàn)電橋的靈敏度溫度漂移補(bǔ)償[10]。

圖2 電橋靈敏度補(bǔ)償連接

當(dāng)以恒壓源作為供電模式時(shí)，電橋的輸出電壓Vout的表達(dá)式為：

(9)

式中，Vin為供電電壓，RB(T)為等效橋臂電阻，RS為串接的靈敏度調(diào)整電阻，S(T)為電橋靈敏度，P為加載載荷壓力值。其中，RB(T)會(huì)隨著溫度的升高而增大，溫度系數(shù)為TCRB，S(T)會(huì)隨著溫度的升高而減小，溫度系數(shù)為TCS。通過公式可知，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，選取合適的RS，可以有效地補(bǔ)償靈敏度變化的大小。

恒壓源供電時(shí)靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)脑恚寒?dāng)溫度升高時(shí)，電橋電阻RB(T)增大，而串聯(lián)的補(bǔ)償電阻RS幾乎不變，則電橋電阻RB(T)的分壓比例增加，輸出電壓變大，適時(shí)地補(bǔ)償了靈敏度隨溫度變化導(dǎo)致的輸出電壓減小的部分，可以保證輸出電壓不隨溫度而改變。同理，圖2(b)中的恒流源供電也可以采用相同的方法解釋。

1.1.2 無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型及算法

本次設(shè)計(jì)提出的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型，即采用的上述低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償方法，根據(jù)不同的傳感器敏感頭測(cè)試結(jié)果，選用不同的補(bǔ)償方案計(jì)算模型參數(shù)。本模型需要提供的測(cè)量參數(shù)主要包括高溫壓力傳感器兩個(gè)補(bǔ)償溫度閾值T0、T1(T0

表1 補(bǔ)償模型所需傳感器的測(cè)量參數(shù)表

同時(shí)由于恒壓源供電模式下的電路簡(jiǎn)單，便于耐高溫環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用，因此高溫壓力傳感器也常常采取恒壓源供電的模式進(jìn)行溫度補(bǔ)償[11]。以下介紹兩種采用恒壓源供電模式的壓阻電橋傳感器無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型及算法。如圖3所示，圖3(a)為傳感器常溫下初始零位電壓為負(fù)的補(bǔ)償模型，圖3(b)為傳感器常溫初始零位電壓為正的補(bǔ)償模型。

圖3 恒壓源供電的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型

傳感器的輸出電壓為：

Vout(T,P)=VB(T,P)×

(K+(T,P)-K-(T,P))

(10)

其中:K+(T,P)為電橋輸出端正極的分壓系數(shù)，K-(T,P)分別為電橋輸出端負(fù)極的分壓系數(shù)，VB(T,P)為電橋的供電電壓，則:

(11)

對(duì)于圖3(a)中的補(bǔ)償模型進(jìn)行解析，公式如下：

電橋電阻：

RB(T,P)=(R2(T,P)+R3(T,P))∥

(RZ+R4(T,P)+R1(T,P)∥RP)

(12)

分壓系數(shù)：

(13)

(14)

將式(11)～(14)代入式(10)中，即可得到圖3(a)模型的輸出電壓表達(dá)式為：

Vout(T,P)=

(15)

其中：RZ,RP,RS為待求解的模型參考值，Ri(T,P)(i=1,2,3,4)為已知的測(cè)量參數(shù)值。同理，對(duì)于圖6(b)中的補(bǔ)償模型也可采用相同方法得到輸出電壓的結(jié)果，如式(16)所示。

Vout(T,P)=

(16)

根據(jù)電橋的補(bǔ)償要求，聯(lián)立無(wú)源電阻網(wǎng)路溫度補(bǔ)償模型算法方程組(17)：

(17)

從式(16)可得，電橋零位的溫度漂移補(bǔ)償是指在初始?jí)毫0加載下，傳感器的輸出電壓不會(huì)隨溫度變化發(fā)生改變，即Vout(T,P0)對(duì)溫度的偏導(dǎo)數(shù)為0；電橋靈敏度的溫度漂移補(bǔ)償是指在更高壓力P1加載條件下，傳感器的輸出電壓也不會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生波動(dòng)，即Vout(T,P1)對(duì)溫度的偏導(dǎo)數(shù)也為0。通過Matlab對(duì)算法方程進(jìn)行求解，可得到補(bǔ)償模型的參數(shù)值RZ,RP,RS。

1.2 溫度補(bǔ)償驗(yàn)證

為驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)提出的溫度補(bǔ)償模型及算法的有效性，對(duì)研制成功的SOI倒裝式MEMS高溫壓力傳感器的力敏芯片及傳感器整體進(jìn)行溫度補(bǔ)償驗(yàn)證試驗(yàn)(采用成熟的傳感器芯片進(jìn)行試驗(yàn)，可以排除研制樣機(jī)可能存在的其它非溫度漂移特征因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響)，如圖4所示。

圖4 SOI倒裝式高溫壓力敏感芯片單元

對(duì)該未補(bǔ)償?shù)膲毫γ舾行酒瑔卧M(jìn)行溫度范圍20～220 ℃、絕對(duì)壓力范圍100～2 000 kPa的復(fù)合環(huán)境標(biāo)定，其標(biāo)定曲線如圖5所示。

圖5 未補(bǔ)償芯片單元的溫度、壓力標(biāo)定圖示

如圖5所示，由于芯片加工工藝的限制或封裝應(yīng)力的影響，使得壓敏電阻阻值無(wú)法完全適配，電橋輸出的零位偏置電壓為負(fù)，同時(shí)隨著溫度的升高，力敏芯片單元的輸出電壓明顯降低；通過計(jì)算可知，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，傳感器的總精度為±18%FS，最大熱零位漂移為-11%FS，最大熱靈敏度漂移為-25%。測(cè)試數(shù)據(jù)表明傳感器在溫度區(qū)間范圍內(nèi)，產(chǎn)生了較大的參數(shù)漂移，這極大的影響了傳感器的測(cè)量精度。

采用前面圖1和式(1)～(3)所示的常規(guī)低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償電路對(duì)壓力敏感芯片進(jìn)行溫度補(bǔ)償，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。可得到在整個(gè)工作溫度區(qū)間范圍內(nèi)，傳感器的測(cè)試總精度為±12%FS，最大熱零位漂移為+8%FS，最大熱靈敏度漂移為-20%，顯而易見，常規(guī)的補(bǔ)償方法補(bǔ)償效果并不理想。

圖6 常規(guī)低溫系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償標(biāo)定

依據(jù)本次設(shè)計(jì)提出的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型的要求，對(duì)閾值溫度和壓力條件下的橋臂電阻值進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 未補(bǔ)償壓力敏感單元在不同溫度、壓力下的橋臂電阻測(cè)量

由于該壓力傳感器敏感芯片的電橋輸出零位偏置電壓為負(fù)值，可適用圖3(a)中的恒壓源供電模式下的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型，根據(jù)其輸出表達(dá)式及模型算法方程組，采用Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行求解，可得最小的補(bǔ)償電阻分別為：

RZ=25 Ω,RP=45 kΩ,RS=5 kΩ

因此，該敏感芯片的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償電路如圖7所示。

圖7 無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償電路

對(duì)上述溫度補(bǔ)償后的力敏芯片進(jìn)行溫度、壓力標(biāo)定，結(jié)果如圖8所示。

圖8 無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償

由圖8可知，在工作溫度區(qū)間內(nèi)，壓力傳感器的總精度為±1.5%FS，計(jì)算可得最大熱零位漂移為+1.8%FS，最大熱靈敏度漂移為-4.6%。相比較常規(guī)低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償方法的壓力敏感芯片單元，采用本無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型和算法時(shí)，補(bǔ)償效果較好，能夠顯著提高測(cè)量精度。

通過對(duì)多只壓力敏感芯片單元進(jìn)行補(bǔ)償測(cè)試，均取得良好的溫度補(bǔ)償效果，從而驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)提出的無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型及算法的有效性。

2 高溫壓力芯片信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)

2.1 高溫壓力敏感芯片調(diào)理需求

對(duì)比圖5與圖8可知，由于電橋串聯(lián)的靈敏度補(bǔ)償電阻RS的分壓作用，壓力敏感芯片補(bǔ)償后的輸出電壓靈敏度與補(bǔ)償前相比大幅下降，即靈敏度溫度補(bǔ)償是以犧牲電橋輸出靈敏度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，我們需要增加信號(hào)調(diào)理電路模塊，以達(dá)到對(duì)溫度補(bǔ)償后的傳感器輸出電壓放大補(bǔ)償?shù)男Ч鸞12]。

另外，與常規(guī)常溫壓力傳感器相比，耐高溫壓力傳感器測(cè)試時(shí)需將壓力傳感器安裝在高溫測(cè)試區(qū)，往往需要通過較長(zhǎng)的電纜將傳感器輸出引到低溫區(qū)域進(jìn)行信號(hào)采集，由于高溫應(yīng)用環(huán)境中的熱噪聲、電磁噪聲等干擾因素比常規(guī)應(yīng)用大的多，介于硅壓阻式壓力傳感器輸出信號(hào)通常在幾十到一百多毫伏量級(jí)，則小信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中不可避免的會(huì)受到噪聲干擾，且這種干擾不可忽略，會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。適量地放大調(diào)理電路模塊，可以有效提高傳輸信號(hào)的幅值并提高其信噪比[13]。

對(duì)于本次研究設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)與耐高溫壓力敏感芯片集成的耐高溫信號(hào)調(diào)理電路，可以將壓力傳感器敏感頭的小電壓信號(hào)直接放大到0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓條件下，再進(jìn)行信號(hào)的輸出，可以有效降低長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸時(shí)，環(huán)境噪聲對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)干擾，提高測(cè)量精度。同時(shí)，由于采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，無(wú)需使用壓力變送器，傳感器信號(hào)可直接由標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)采集卡采集，降低了應(yīng)用成本。

2.2 耐高溫信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

差分小信號(hào)放大常用的兩種信號(hào)調(diào)理方式為單運(yùn)放構(gòu)成的差分輸入信號(hào)放大器和集成儀表放大器[14]。對(duì)于前者而言，輸入的差分信號(hào)負(fù)端由運(yùn)算放大器反向端輸入，輸入阻抗不夠高，不能匹配壓力敏感芯片電橋電路的幾kΩ量級(jí)的輸出阻抗，電橋輸出的小信號(hào)不能無(wú)損的傳送到信號(hào)調(diào)理電路，造成信號(hào)失真[15]。

因此，在工業(yè)應(yīng)用中，壓力傳感器的電橋輸出信號(hào)常采用通用儀表放大器芯片實(shí)現(xiàn)，其具有較高的輸入阻抗、良好的共模抑制比、輸入偏移低及輸出阻抗低等優(yōu)點(diǎn)[16]。AD623是Analog Device公司生產(chǎn)的一款典型的儀表放大器芯片，其電橋輸出信號(hào)調(diào)理應(yīng)用電路如圖9所示。

圖9 儀表放大器AD623電橋輸出信號(hào)調(diào)理電路圖

采用標(biāo)準(zhǔn)5 V供電，電橋輸出差分電壓的共模偏置為2.5 V，信號(hào)輸出范圍為±10 mV，通過儀表放大器將小信號(hào)放大到后端ADC 的信號(hào)輸入范圍內(nèi)，儀表放大器增益可通過外部增益調(diào)整電阻RG方便調(diào)整，輸出偏置電壓可由參考電壓端REF輸入。

本次設(shè)計(jì)的耐高溫信號(hào)調(diào)理電路，同樣需要工作在200 ℃以上的高溫環(huán)境中，而普通儀表放大器的最高工作溫度為85 ℃，顯然無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。因此我們選用Honeywell公司的SOI基HT耐高溫系列的IC芯片進(jìn)行信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，最高工作溫度可達(dá)330 ℃，可以適應(yīng)在220 ℃條件下的長(zhǎng)時(shí)間工作強(qiáng)度，滿足耐高溫信號(hào)調(diào)理電路的應(yīng)用要求[8]。由于HT耐高溫IC芯片中沒有集成儀表放大器，我們采用由3個(gè)運(yùn)算放大器組成的儀表放大電路進(jìn)行替代，整體的耐高溫信號(hào)調(diào)理電路如圖10所示。圖中運(yùn)算放大器選用集成四運(yùn)放HT1104，線性穩(wěn)壓器選用HTPLREG05。

圖10 耐高溫信號(hào)調(diào)理電路組成框圖

耐高溫信號(hào)調(diào)理電路原理如圖11所示，其中由3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的儀表放大電路如圖12所示。其中，Vin+、Vin-為壓力敏感芯片的正負(fù)輸入端，輸入信號(hào)通過兩個(gè)運(yùn)算放大器同相端輸入，確保較高的輸入阻抗。為防止信號(hào)放大電路由于射頻整流效應(yīng)影響零位電壓的漂移，此處采用C1、C2、C3、R3、R4構(gòu)成RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)(要求C1=C2，C3=10C1)，用于濾除射頻噪聲干擾，差模與共模濾波截止頻率見式(18)，可根據(jù)壓力敏感芯片的頻響范圍設(shè)定。

(18)

圖11 信號(hào)調(diào)理電路示意圖

圖12 儀表放大電路示意圖

Vref為輸出信號(hào)的直流偏執(zhí)電壓，可以通過線性穩(wěn)壓器輸出分壓得到。R5為增益調(diào)整電阻，該信號(hào)放大電路的輸出電壓表達(dá)式為式(19)，可方便地通過改變?cè)鲆骐娮柚嫡{(diào)整信號(hào)輸出范圍。

(19)

3 傳感器整體性能測(cè)試

3.1 常溫環(huán)境壓力傳感器性能測(cè)試

常溫壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)壓力量程為2 MPa，每間隔100 kPa進(jìn)行一次讀數(shù)，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖13所示為傳感器測(cè)試結(jié)果，從圖中可以得到傳感器靈敏度為6.18 mV/100 kPa，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。其非線性誤差、遲滯重復(fù)性等均小于0.35%FS，表明該傳感器在常溫環(huán)境下性能良好。

圖13 傳感器常溫校準(zhǔn)曲線

3.2 高溫環(huán)境壓力傳感器性能測(cè)試

針對(duì)常溫至220 ℃條件下傳感器的性能進(jìn)行測(cè)試。每間隔100 kPa壓力，待壓力值穩(wěn)定后通過高精度萬(wàn)用表讀取傳感器輸出電壓值。傳感器在壓力量程2 MPa的條件下不同溫度下測(cè)試結(jié)果如圖14所示。

圖14 傳感器全溫區(qū)測(cè)試曲線

在20～220 ℃補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)，總體測(cè)量精度為±2%FS，傳感器高溫性能良好。隨著溫度的升高，傳感器零點(diǎn)會(huì)發(fā)生小范圍的漂移，靈敏度也會(huì)下降，通過處理數(shù)據(jù)可得220 ℃環(huán)境下傳感器靈敏度為4.93 mV/100 kPa，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了壓阻式壓力傳感器產(chǎn)生溫度漂移的原因和常用溫度補(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)了低溫度系數(shù)電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償方法，建立了補(bǔ)償模型，推導(dǎo)了補(bǔ)償算法，并通過試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了補(bǔ)償算法的正確性，相較之傳統(tǒng)算法具有更好的補(bǔ)償特性。采用耐高溫器件設(shè)計(jì)了內(nèi)置信號(hào)放大調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)了將壓力傳感器電橋輸出小信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，提高了長(zhǎng)線傳輸信號(hào)的信噪比，同時(shí)省去了壓力變換器設(shè)備，降低了使用成本。