压力传感器的应用电路设计

部分典型应用电路的介绍

文章编号:100226061(2002)0520012203

压阻式压力传感器及其应用电路设计

才滢,毕鹏

(92493部队89分队,辽宁葫芦岛125000)

摘 要:介绍了压阻式传感器的工作原理以及相关应用电路,并给出了一个应用示例

加以说明。

关键词:传感器;压阻;应变

中图分类号:TP21219 文献标识码:B

Pressure-resistanceTypePressureSensorandDesignofItsApplicationCircuit

CaiYeng,BiPeng

(NavalMetrologyandTestCenter,Huludao125000,China)

Abstract:Theoperatingprincipleandrelativeapplicationcircuitofpressure2resis2.Andanappliedexampleisgiventoshowalloftancesensorarepresentedinthispaperthose.

Keywords:sensor;pressure2resistance;strain

目前,压力传感器种类很多,有振动筒式、

石英波登管式、压阻式、应变片式等多种。其中振动筒式压力传感器虽然不确定度可达012%FS,但它仅适用于测量以气体为介质的压力,测压范围很小;石英波登管式压力传感器不确定度能达到0102%,测压范围也很大,可达60成本高;MPa以上,但这种传感器结构复杂、

应变式压力传感器测量上限一般不超过25MPa,不确定度为1%FS,目前市场上有上限达60MPa的这类压力传感器,但制作工艺较差,可靠性低,特别是1MPa以下的传感器,不确定度很难达到0104%FS;压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应制成,它采用集成电路工艺,结构简单,测压上限可达到60MPa,具有工作可靠、耐腐性、抗干扰能力强等特点,国内有些厂家利用美国生产的传感器芯片,加上严格的组装工艺,其不确定度可达0104%FS以上,在压力测量领域得到了较广泛的应用。

1 压阻式传感器

电阻式传感器是将输入的机械量应变Ε转换为电阻值变化的变换元件。电阻变换器的输入量为应变Ε= L L,即材料的长度相对变化量,它是一个无量纲的相对值。通常Ε=10-6为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量 R 电阻变换器有金属电阻变换R。器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应: Θ =ΠΘΡ且Ρ=EΕ其中:Ρ是应力(F S);Π是压阻系数,Π=(40~80)×

211

m N,E是弹性模量,E=1167×10N 2

。要m,所以电阻的相对变化为( R R)≈ΠEΕ

10-

11

测量其他物理量,如压力、力、加速度等,就需要先将应变片贴在相应的弹性元件上,这些物理

量被转换为弹性元件的应变,再经应变片将应变转换为电阻输出量,应变传感器的组成框图如图1。

图1

部分典型应用电路的介绍

2 供电及信号处理电路

211 供电电路

电路,它采用双电源供电以避免共模干扰。电流I0=215 R,其稳定度取决于基准电压源1403和电阻R的稳定度。212 处理电路

压阻式传感器的满量程输出信号为70~350mV不等,其输出阻抗很高,这就要求放大

压阻式传感器可以用恒压源供电,也可用恒流源供电,但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题,如图2所示

。

电路须有更高的输入阻抗,不从传感器输出端吸收电流,以免破坏传感器的工作状态,这里介绍的放大电路如图4所示

。

图2

假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为

R,当有应力时,两个电阻阻值增加,增量为 R,

另两个电阻阻值减小,减小量为 R,由于温度影响,使每小电阻值都有 RT的变化量。因此,电桥的输出:

恒压时V=E

R+ RT

可以看出输出电压V与温度有关且为非线性,所以用恒压源供电时,不能消除温度的影响。

恒流时V=I R

可以看出输出电压V与温度无关,这就消除了温度对传感器输出信号的影响。

所以,可采用如图3

所示的恒流源供电

图4

这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益;失调电流、电压、噪声和漂移都很小。图中A1,A2组成第一级同相并联差动放大器,这一级的放大输出为V0′=V01-V02=[1+(R1+R2) W]Vi;A1,A2输入端不吸收电流,并且电路结构对称,漂移和失调相互抵消,具有抑制共模信号干扰的能力;A3构成第二级差动放大,提高放大倍数,欲有效地抑制共模信号干扰,须使电路中R3=R4=R,R5=R6=Rf则放大器总输出为

V0=-(Rf R)V0′

=-(Rf R)[1+(R1+R2) W]V

i

调节电位器W,可改变放大器增益,令R1

=R2,则V0=-(Rf R)[1+2R W]Vi

3 典型应用

下面是压阻式传感器在压力表自动检定系统中的应用示例,该系统可完全取代原来0104

图3

~016MPa,011~6MPa,1~60MPa,三台活塞式压力计,对0125级以下所有压力表可实施半

部分典型应用电路的介绍

自动检定,将大大减轻操作者的劳动强度,提高检定效率,整机框图如图5所示

。

图5

因为整个系统有6只压力传感器,用到其中一只时才把它连接到系统的传感器接头上,为防止因接错传感器而造成对压力传感器的过载性损害,就需要给传感器带上“身份证”,并通过电路和把接入的传感器识别出来,让单片机进行判断分析。这里考虑给传感器带上短路插头,加上由6只电阻和+15V电源构成的插座,

完成传感器的识别。

参考文献

1高岭.压敏电阻技术.北京:电子出版社,1998

收稿日期:2002204201

作者简介:才滢(19722),男,工程师。

“第十三届多国仪器仪表展览会(MICONEX2002)”在京开幕

由中国仪器仪表学会主办的“第十三届多国仪器仪表展览会(MICONEX2002)”于9月

24日在北京展览馆开幕。来自美国、日本、英国、

正式加入了国际展览联盟(UFI)组织,并正式成为国际仪器仪表测量与自动化展览联合会

(World2Fima)的创始会员。目前MICONEX已

德国、瑞士、瑞典、俄罗斯、意大利、澳大利亚、芬兰、荷兰、匈牙利、丹麦、韩国、中国大陆及港台地区的550余家企业的近万种产品荟萃于北京展览馆的全部12个展厅。绝大多数的企业都带来了各自的最新产品。

展会期间,有近30家企业就用户关心的技术热点举办了技术交流专场活动。

自1983年开始,中国仪器仪表学会与联合国教科文组织(UNESCO)、联合国工发组织

(UNI美国仪器仪表学会(ISA)、英国测量DO)、

经成为国内乃至亚洲仪器仪表专业的第一大展。

由中国仪器仪表学会主办的“MI2

CONEX2002仪器仪表与自动化技术发展学术

大会”于9月25日在北京中国科技会堂隆重开幕。本届大会的主题是“以仪器仪表与自动化技术为前沿的21世纪产业革命”。大会设立了9各专业分会场,参加学术会议的代表逾800人。

会议期间主办单位还首次举办了“仪器仪表企业高管沙龙”,50余位仪器仪表企业的高级管理人员同我国的经济界人士共叙新时期国民经济中的仪器仪表产业现状及前景。

与控制学会(M&C)、日本测量与控制学会(SICE)共同发起组织了“多国仪器仪表学术会

(议暨展览会”1994年MICONEXMICONEX)。