溫壓復(fù)合式傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李彥芳，李本亮，劉 珂，孫瑜

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安 710089）

機(jī)載測(cè)試等領(lǐng)域需要采集大量的壓力和溫度參數(shù)，在應(yīng)用中，對(duì)于每臺(tái)壓力傳感器和管道溫度傳感器，都需要面對(duì)管路接口安裝、密封，電氣接口布置等諸多共同問(wèn)題。

若將二者功能合為一體，實(shí)現(xiàn)組合式測(cè)量，可以大大減小傳感器在系統(tǒng)的占用空間與接線數(shù)量，降低使用成本，減小使用現(xiàn)場(chǎng)的工作量。

溫壓復(fù)合式傳感器采用一體化設(shè)計(jì)，將溫度及壓力傳感器的功能加以組合，能夠同時(shí)測(cè)量溫度與壓力參量，更大程度地獲得被測(cè)目標(biāo)的信息，并采用嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)，使得傳感器集成化程度高[1]。

1 傳感器工作原理

傳感器由壓力敏感元件、溫度敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、電源電路等功能模塊構(gòu)成。壓力敏感元件、溫度敏感元件分別將介質(zhì)壓力、溫度轉(zhuǎn)換成適于測(cè)量的電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、A/D 轉(zhuǎn)換、全溫區(qū)溫度漂移誤差補(bǔ)償、全量程非線性誤差修正，并結(jié)合模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、調(diào)整，變成便于顯示、記錄、控制處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；電源電路將外部供電電源轉(zhuǎn)化為二次電源，供內(nèi)部元件使用。傳感器原理框圖如圖1 所示。

圖1 傳感器原理框圖

2 主要技術(shù)指標(biāo)

溫壓復(fù)合式傳感器將感受到的介質(zhì)溫度、壓力分別轉(zhuǎn)換為0.5 VDC～4.5 VDC 模擬電壓信號(hào)，以供后續(xù)采集記錄設(shè)備使用。傳感器擬實(shí)現(xiàn)如下技術(shù)指標(biāo)：

1）壓力測(cè)量范圍：0～35 MPa；

2）溫度測(cè)量范圍：-55～+200 ℃；

3）供電：27（1±10%）VDC；

4）輸出信號(hào)：0.5 VDC～4.5 VDC；

5）測(cè)量精度：小于或等于0.3%F.S（非線性、遲滯、重復(fù)性）；

6）絕緣電阻：大于或等于500 MΩ/500 V。

3 傳感器設(shè)計(jì)

3.1 壓力敏感元件

傳感器設(shè)計(jì)中選用了應(yīng)用最為廣泛的壓阻式敏感元件。壓阻式敏感元件通過(guò)硅膜片上的等臂差動(dòng)惠斯登全橋作為敏感檢測(cè)電路，以獲得最高的靈敏度和輸出線性度。敏感元件電阻率變化主要由壓阻系數(shù)、材料彈性模量和泊松比等因素決定，這些因素受溫度變化的影響很大[2]。

隨著微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，壓阻式敏感元件能夠獲得良好的重復(fù)性、低遲滯性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在實(shí)際使用中需要解決的主要問(wèn)題是溫度漂移誤差，再者，敏感元件的輸出信號(hào)是毫伏級(jí)小信號(hào)，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以使傳感器輸出便于采集記錄的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

3.2 溫度敏感元件

傳感器選用鉑熱電阻作為溫度敏感元件。金屬鉑的溫度變化關(guān)系非常穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最佳材料。高精度的鉑電阻溫度傳感器，響應(yīng)時(shí)間不大于1 s[3]。鉑熱電阻的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1）在測(cè)溫范圍內(nèi)，化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，測(cè)溫準(zhǔn)確；

2）具有良好的輸出特性，在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻與溫度之間線性關(guān)系好；

3）具有較高的電阻率，體積和質(zhì)量小；

4）具有良好的可加工性，價(jià)格便宜。

鉑電阻值與溫度之間的關(guān)系可近似表示如下：

式中，Rt是溫度為t℃時(shí)的電阻值，R0是溫度為0 ℃時(shí)的電阻值，A、B、C 為常數(shù)。

3.3 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于傳感器溫度測(cè)量范圍為-55～+200 ℃，選用的電子元器件工作溫度范圍為-55～+125 ℃，因此，對(duì)傳感器的敏感元件部分和調(diào)理電路部分進(jìn)行分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以能夠測(cè)量到200 ℃的高溫介質(zhì)參數(shù)。傳感器的壓力接口及電氣接口采用典型標(biāo)準(zhǔn)連接。傳感器外形如圖2 所示，傳感器結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖2 傳感器外形尺寸（單位mm）

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)剖面

3.4 傳感器信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)

在信號(hào)調(diào)理電路中對(duì)兩種敏感元件的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整及線性處理，并利用溫度敏感元件的實(shí)時(shí)溫度信號(hào)對(duì)壓力敏感元件的溫漂誤差進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)融合處理，以有效提高傳感器的測(cè)量精度和環(huán)境適應(yīng)能力，使傳感器的輸出特性具備較好的一致性和互換性。溫度信號(hào)處理電路、壓力信號(hào)處理電路是這次設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的電路，需要信息采集快速準(zhǔn)確，傳遞處理效率高[5]。

3.4.1 溫度敏感元件電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由溫度敏感元件感應(yīng)被測(cè)介質(zhì)溫度，并將信號(hào)送到調(diào)理電路，通過(guò)XTR105 使溫度敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的直流信號(hào)[6]，變化的電流值通過(guò)采樣電阻RL轉(zhuǎn)化成電壓值，將電壓信號(hào)送入微處理器MSC1211 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[7]。其電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 溫度敏感元件電壓轉(zhuǎn)換電路

XTR105 是一種自帶傳感器激勵(lì)源和內(nèi)置線性化電路的變送器芯片，直接與鉑電阻相連構(gòu)成溫度傳感器/變送器電路[8]。芯片本身具有增益可調(diào)功能，可以省略外部的運(yùn)放，此外還具有低溫漂、低噪聲、高共模抑制比的特點(diǎn)，其工作電源為7.5～36 VDC。

3.4.2 溫度、壓力信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

壓力敏感元件及溫度敏感元件的輸出信號(hào)在一階濾波后送到MSC1211 的A/D 轉(zhuǎn)換通道。微處理器MSC1211 對(duì)壓力、溫度信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)插值法對(duì)信號(hào)進(jìn)行溫漂校準(zhǔn)，換算出當(dāng)前壓力、溫度值，并通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的0.5～4.5 VDC 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。

MSC1211 是TI 公司的高集成度混合信號(hào)微處理器，片上集成了八路差分輸入通道和單通道24 位高精度Σ-ΔA/D 轉(zhuǎn)換器（其內(nèi)部包括輸入緩沖器、可編程增益放大器、調(diào)制器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理及信號(hào)校準(zhǔn)電路）[9]。芯片自帶2.5 V 高精度基準(zhǔn)電壓（精度為0.2%，漂移為5 ppm，可選為A/D 轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓），4 通道16 位DAC、改進(jìn)的8051 內(nèi)核、32 kB 的FLASH 閃速存儲(chǔ)器以及1.2 kB 的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，還有豐富的外設(shè)資源，尤其適合溫度、壓力等緩變信號(hào)的采集和處理。綜上所述，通過(guò)采用高精度、低功耗的微處理器MSC1211 對(duì)傳感器進(jìn)行溫漂補(bǔ)償和誤差校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了傳感器的高集成度、高精確度、小型化和智能化。

3.4.3 傳感器濾波輸出設(shè)計(jì)

由運(yùn)算放大器和電阻、電容構(gòu)成的有源濾波器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、可提供一定增益、截止頻率可調(diào)等特點(diǎn)，在通信、信號(hào)處理、儀器儀表和自動(dòng)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[10-11]。

為提高電路輸出信噪比，在調(diào)理電路最后一級(jí)設(shè)有濾波輸出電路，如圖6 所示，通過(guò)RC 濾波網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器TLV2252AIDR 構(gòu)建二階有源低通濾波器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波輸出。

圖6 傳感器濾波輸出電路

圖5 溫度、壓力信號(hào)調(diào)理電路

3.5 傳感器電源電路及電磁兼容設(shè)計(jì)

電源電路將27 VDC電壓調(diào)整為15 VDC及5 VDC，供其他元件使用。對(duì)于電子系統(tǒng)常見(jiàn)的電磁干擾，如電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化等，可通過(guò)LC濾波、瞬態(tài)干擾抑制、去耦、電磁屏蔽等設(shè)計(jì)來(lái)解決[12]。在電源輸入端通過(guò)電感器、電容器對(duì)電路工作中產(chǎn)生的共模干擾、差模干擾進(jìn)行濾除[13]。采用瞬態(tài)抑制器將高電壓能量瞬間轉(zhuǎn)移，使大電流離開(kāi)被保護(hù)電路[14]。調(diào)理電路的外殼選用良性導(dǎo)體材料，在外殼連接處采用導(dǎo)電橡膠條進(jìn)行密封處理，保證整體電磁屏蔽特性[15]。

傳感器的壓力敏感元件采用恒壓源激勵(lì)的方式，在對(duì)電橋加激勵(lì)電源時(shí)，電橋輸出不平衡差分電壓信號(hào)，電橋的輸出電壓與施加的壓力成正比。激勵(lì)電源的穩(wěn)定性直接影響電橋輸出的總精度。在激勵(lì)源設(shè)計(jì)時(shí)，采用具有高精度、高穩(wěn)定性的REF5050AIDR 作為電壓基準(zhǔn)[16]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在傳感器量程范圍內(nèi)選取7 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行正反行程測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算精度見(jiàn)表1、表2。由試驗(yàn)結(jié)果看出，壓力參數(shù)測(cè)試精度為0.05%FS，溫度參數(shù)測(cè)試精度為0.04%FS，均滿足小于或等于0.3%FS 的指標(biāo)要求。

表1 傳感器壓力參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 傳感器溫度參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

在機(jī)載測(cè)試及飛行試驗(yàn)領(lǐng)域，需要進(jìn)行大量的壓力、溫度參數(shù)檢測(cè)，除軍事和航空領(lǐng)域外，壓力及溫度檢測(cè)在工業(yè)和控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。復(fù)合式傳感器在多種領(lǐng)域的實(shí)時(shí)在線測(cè)量中顯示出了極大的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

該文提出了一種溫壓復(fù)合式傳感器的設(shè)計(jì)方法。該傳感器可以測(cè)量寬溫區(qū)流體介質(zhì)的壓力、溫度參數(shù)，量程及輸出可按需定制，工作溫度范圍滿足航空測(cè)試環(huán)境要求，具有良好的維修性、保障性、安全性。傳感器具有精度高、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，符合多功能化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)。