硅壓阻壓力傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

王 浩，張 弛，趙建平

(1.西北工業(yè)大學(xué)民航學(xué)院，陜西西安 710072；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西西安 710065)

0 引言

壓力測(cè)量是工業(yè)控制系統(tǒng)中關(guān)鍵過(guò)程，其精度及穩(wěn)定性直接影響控制系統(tǒng)的功能、性能和可靠性，目前主要的壓力傳感器包括電阻應(yīng)變片壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和硅壓阻壓力傳感器；其中，硅壓阻壓力傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線(xiàn)性度好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等領(lǐng)域[1-4]。

硅壓阻壓力傳感器選用擴(kuò)散硅差壓敏感元件作為壓力感測(cè)單元，在敏感膜片上制作4個(gè)電阻以組成力敏全橋，給全橋一定的電壓或電流激勵(lì)，可以將彈性材料受壓力產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為與壓力成近似線(xiàn)性關(guān)系的差模電壓輸出域[5]。

壓力傳感器激勵(lì)可選用直流電壓源或直流電流源，當(dāng)激勵(lì)選用直流電壓源時(shí)，可同時(shí)給多個(gè)壓力傳感器供電，而直流電流源只能給一個(gè)壓力傳感器供電。此外，經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器在使用恒壓源供電時(shí)，其零位漂移較小[6]。因此，文中硅壓阻壓力傳感器激勵(lì)選用直流電壓源。

壓力傳感器輸出信號(hào)為mV級(jí)，易受外界干擾，并且輸出阻抗較大，為保證采集精度，需要對(duì)其進(jìn)行放大、濾波處理，設(shè)計(jì)采用儀表運(yùn)放實(shí)現(xiàn)對(duì)mV級(jí)電壓信號(hào)的放大，并增加低通濾波器濾除高頻干擾。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)開(kāi)路檢測(cè)功能，設(shè)計(jì)“雙上拉電阻”方案避免了壓力傳感器輸出阻抗較大的問(wèn)題。

1 調(diào)理電路說(shuō)明

1.1 硅壓阻壓力傳感器工作原理

硅壓阻壓力傳感器內(nèi)部全橋電路如圖1所示，其中Uin為恒壓源激勵(lì)電壓，Uo為輸出電壓，R1～R4為4個(gè)橋臂電阻，R2、R4的阻值隨著壓力的增大而增加，R1、R3的阻值隨著壓力的增大而增減小[7]。當(dāng)壓力傳感器敏感膜片未受到壓力產(chǎn)生形變時(shí)，壓力傳感器輸出的電壓Uo為

(1)

圖1 硅壓阻壓力傳感器原理框圖

一般情況下，為保證硅壓阻壓力傳感器的零位輸出電壓，全橋的電阻阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R，則在壓力為0時(shí)，Uo=0 mV。當(dāng)施加到壓力的傳感器的壓力p導(dǎo)致全橋電阻變化量為ΔR時(shí)，壓力傳感器輸出電壓Uo為

化簡(jiǎn)得：

(2)

當(dāng)電阻變化量ΔR與施加的壓力p成正比例時(shí)，通過(guò)采集壓力傳感器輸出電壓Uo即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。

1.2 硅壓阻壓力傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖2為硅壓阻壓力傳感器調(diào)理電路原理圖，主要包括恒壓源激勵(lì)電路、開(kāi)路檢測(cè)電路和放大濾波電路。恒壓源激勵(lì)電路采用負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，由同相放大電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路和過(guò)流保護(hù)電路組成。壓力傳感器輸出阻抗較大，為降低開(kāi)路檢測(cè)對(duì)精度的影響，開(kāi)路檢測(cè)電路采用了“雙上拉電阻”方案。此外壓力傳感器輸出信號(hào)通常為mV信號(hào)[8]，并且，為保證信號(hào)采集精度，選用儀表運(yùn)放對(duì)其進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過(guò)低通濾波電路濾除高頻干擾信號(hào)，最終由A/D采集電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

圖2 硅壓阻壓力傳感器調(diào)理電路圖

1.2.1 恒壓源激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

由式(2)可知，壓力傳感器輸出電壓Uo與恒壓源激勵(lì)電壓Uin成正比，因此恒壓源激勵(lì)供電性能對(duì)采集精度及穩(wěn)定性影響很大，同時(shí)還需考慮恒壓源激勵(lì)電路的過(guò)流保護(hù)功能，提高激勵(lì)電路的可靠性。為滿(mǎn)足上述要求，提出帶過(guò)流保護(hù)功能的恒壓源激勵(lì)電路，如圖3所示。主要包括運(yùn)算放大器D1、功率NPN晶體管Q1、采樣電阻R0、P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q2和N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q3。

圖3 恒壓源激勵(lì)電路原理圖

運(yùn)放D1同相輸入端VREF為高精度電壓參考源，根據(jù)負(fù)反饋運(yùn)放D1虛短、虛斷特性，恒壓源激勵(lì)電路輸出電壓Uout與VREF的關(guān)系為

Uout=VREF(1+R6/R5)

(3)

當(dāng)R5、R6選用低溫漂、高精度的電阻時(shí)，Uout可實(shí)現(xiàn)全溫范圍高精度輸出。功率型三極管Q1的作用是提高Uout驅(qū)動(dòng)能力。過(guò)流保護(hù)功能主要由R0、Q2、Q3實(shí)現(xiàn)，具體的工作原理如下：圖3中恒壓源激勵(lì)驅(qū)動(dòng)電流為I0，Q2柵源電壓為VGS=-R0I0，隨著I0的增大，Q2的柵源電壓逐漸變小，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓時(shí)，Q2導(dǎo)通，進(jìn)而導(dǎo)致Q3的柵源電壓為

(4)

超過(guò)了Q3的開(kāi)啟電壓VGS(th)，Q3導(dǎo)通，Q1的基極電壓變?yōu)?，Q1截止，Uout輸出被關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電流I0減小到0，場(chǎng)效應(yīng)管Q2、Q3由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，激勵(lì)電壓Uout恢復(fù)輸出。為防止過(guò)流后出現(xiàn)高頻振蕩，損壞Q1，在Q3的柵極與地之間增加了延時(shí)電容C1，C1的充電時(shí)間常數(shù)τ1=R9C1，放電時(shí)間常數(shù)τ2=R10C1，在圖3的電路中，R9

1.2.2 開(kāi)路檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，硅壓阻壓力傳感器使用環(huán)境較復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)受到振動(dòng)、沖擊等機(jī)械應(yīng)力的影響，接口會(huì)發(fā)生開(kāi)路故障[9]。為了確保在發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，能夠及時(shí)檢測(cè)，需要在壓力傳感器輸出端增加上下拉電阻，以便開(kāi)路后的輸出電壓為固定電平。但需要注意的是，由硅壓阻壓力傳感器的結(jié)構(gòu)可知，其輸出阻抗可達(dá)到kΩ級(jí)別，通常開(kāi)路檢測(cè)用的“上下拉電阻”方案會(huì)影響壓力傳感器輸出精度，以圖4中電路為例進(jìn)行說(shuō)明。其中壓力傳感器內(nèi)全橋電阻R1～R4均為10 kΩ，上拉電阻R11和R12阻值均為1 MΩ，則根據(jù)分壓原理可計(jì)算出由上拉電阻R11引起的輸出電壓偏移為

(5)

絕大多數(shù)硅壓阻壓力傳感器輸出最大值為100 mV，因此，施加圖4上下拉電阻后，當(dāng)壓力傳感器內(nèi)全橋電阻發(fā)生變化時(shí)，壓力傳感器輸出電壓與壓力不再是精確的線(xiàn)性關(guān)系，不能實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的高精度測(cè)量。

圖4 壓力傳感器電阻誤差分析原理圖

(6)

(7)

圖5的雙上拉電阻引起的壓力傳感器輸出信號(hào)總的電壓增量為

(8)

圖5 壓力傳感器開(kāi)路檢測(cè)原理圖

由結(jié)果對(duì)比可知，硅壓阻壓力傳感器開(kāi)路檢測(cè)電路將輸出誤差降低至0.13 mV，是原電路輸出誤差的1/191，并且在壓力傳感器發(fā)生開(kāi)路故障后，輸出電壓被固定在2.5 V，遠(yuǎn)大于壓力傳感器輸出的電壓范圍，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)路故障檢測(cè)功能。

1.2.3 放大及濾波電路設(shè)計(jì)

鑒于硅壓阻壓力傳感器輸出阻抗較大，為保證放大精度，放大電路基于儀表運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。儀表運(yùn)放具有高輸入阻抗、高共模抑制比、高線(xiàn)性度、低輸入失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移等優(yōu)點(diǎn)，適合硅壓阻壓力傳感器輸出信號(hào)放大使用。

放大電路原理圖如圖6所示，放大倍數(shù)G由電阻RG的阻值[10]決定，計(jì)算公式為

(9)

圖6 放大電路原理圖

壓力傳感器輸出信號(hào)為mV級(jí)差分信號(hào)，容易受到模塊及差模干擾信號(hào)，為保證信號(hào)的高精度采集，在儀表運(yùn)放的前端增加了濾波電路。其中電阻R13與電容C3構(gòu)成了共模干擾低通濾波器，截止頻率為

(10)

R13與C2組成了差模干擾低通濾波器，截止頻率為

(11)

一般來(lái)說(shuō)，C3的容值應(yīng)大于10倍C2的容值。應(yīng)用該電路，可以有效地濾除電路中的高頻干擾，實(shí)現(xiàn)硅壓阻壓力傳感器輸出信號(hào)的精確放大。

2 電路驗(yàn)證

為充分驗(yàn)證壓力傳感器恒壓源激勵(lì)的功能和性能，制作了工程樣機(jī)。驗(yàn)證工作主要分為2部分內(nèi)容：硅壓阻壓力傳感器恒壓源激勵(lì)電路驗(yàn)證及調(diào)理電路的精度驗(yàn)證。

硅壓阻壓力傳感器信號(hào)采用壓力信號(hào)仿真板卡PXF0018模擬，PXF0018可實(shí)現(xiàn)4路完全隔離的壓力傳感器弱電壓信號(hào)輸出，輸出量程可配置，最大輸出范圍為0～200 mV，分辨率為0.01 mV，輸出穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)到0.02%FS，輸入阻抗為2～5 kΩ，輸出阻抗不大于6 kΩ，頻響帶寬為25 Hz。上位機(jī)通過(guò)配置不同的數(shù)字量來(lái)模擬壓力傳感器輸出的不同電壓值。

2.1 硅壓阻壓力傳感器激勵(lì)電路驗(yàn)證

為驗(yàn)證硅壓阻壓力傳感器恒壓源激勵(lì)電路的功能和性能，對(duì)該電路的輸出精度及過(guò)流保護(hù)功能進(jìn)行了測(cè)試。圖3中，運(yùn)算放大器D1同相輸入端所接的參考電壓VREF值為2.5 V，R5=R6=5 kΩ，R9=1 kΩ，R10=3 kΩ，C1=47 nF。當(dāng)恒壓源激勵(lì)電路所接負(fù)載為1 kΩ時(shí)，測(cè)試波激勵(lì)源上電時(shí)波形如圖7所示，測(cè)試結(jié)果表明：恒壓源電路6 μs可達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后使用萬(wàn)用表測(cè)試輸出的電壓值為4.99 V，精度達(dá)到0.2%，滿(mǎn)足壓力高精度測(cè)量的要求。

圖7 上電過(guò)程恒壓源電路輸出波形

將恒壓源激勵(lì)外部負(fù)載電阻由1 kΩ更換為20 Ω時(shí)，過(guò)流保護(hù)電路開(kāi)始工作，此時(shí)測(cè)得壓力傳感器輸出波形如圖8所示，其中高電平時(shí)間大概為30 μs，低電平時(shí)間大概為100 μs，與圖3中電容C1的充放電時(shí)間基本一致。在發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，恒壓源激勵(lì)電路不會(huì)發(fā)生不可逆的損壞。

圖8 過(guò)流時(shí)恒壓源電路輸出波形

2.2 硅壓阻壓力傳感器輸出信號(hào)放大精度驗(yàn)證

圖6中，R13阻值選為10 kΩ，C2為47 nF，C3為1 nF，則共模低通濾波截止頻率為15.9 kHz，差模低通濾波截止頻率為169 Hz，RG阻值為1.2 kΩ，儀表運(yùn)放放大倍數(shù)為42.17；上位機(jī)將PXF-0018量程配置為0～50 mV，并依次設(shè)置輸出電壓為0、10、25、40 mV，使用4位半的萬(wàn)用表對(duì)放大電路輸出電壓U1進(jìn)行測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 放大電路實(shí)測(cè)電壓

2.3 電路測(cè)試結(jié)果

由以上驗(yàn)證結(jié)果可知，恒壓源激勵(lì)電路可實(shí)現(xiàn)高精度的直流電壓輸出，并在發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，可按照PWM類(lèi)型的激勵(lì)信號(hào)輸出，保證了激勵(lì)電路的安全，提高了可靠性。并且調(diào)理放大精度可達(dá)到0.5%，達(dá)到了多數(shù)壓力高精度的測(cè)試目標(biāo)。

3 結(jié)論

文中提出了一種硅壓阻壓力傳感器調(diào)理電路，主要包括恒壓源激勵(lì)電路、開(kāi)路檢測(cè)電路和放大及濾波電路。其中恒壓源激勵(lì)電路實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，激勵(lì)輸出電壓為PWM類(lèi)型，其中占空比可通過(guò)電阻、電容配置，較靈活，可適配不同額定功耗的三極管。開(kāi)路檢測(cè)電路解決了輸出阻抗影響精度的問(wèn)題?；趦x表運(yùn)放設(shè)計(jì)了放大及濾波電路，實(shí)現(xiàn)了mV級(jí)信號(hào)的放大。為濾除高頻干擾，設(shè)計(jì)了共模及差模低通濾波電路。搭建了驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)該電路進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試，驗(yàn)證結(jié)果證實(shí)了恒壓源激勵(lì)電路輸出精度高，過(guò)流保護(hù)功能有效，且調(diào)理精度可達(dá)到0.5%。

后續(xù)可對(duì)恒壓源激勵(lì)電路和放大濾波電路的溫漂特性進(jìn)行理論分析，對(duì)恒壓源輸出誤差補(bǔ)償電路進(jìn)行研究，同時(shí)結(jié)合硅壓阻壓力傳感器在全溫范圍內(nèi)對(duì)該調(diào)理電路的溫漂進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步提高硅壓阻壓力傳感器調(diào)理精度。