低阻壓阻壓力變送器的設計及性能測試

摘要:采用AD公司的AD693數(shù)字信號調理芯片,設計了一款低阻壓阻壓力變送器,給出了詳細的應.用電路設計方案,并且進行了相應的靜態(tài)測試.測試數(shù)據(jù)表明,該變送器在20℃~60℃范圍內具有優(yōu)良的靜態(tài)性能,以及非常理想的時漂,穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%.
0前言
　　擴散硅壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應制成的,具有體積小、成本低、精度高、穩(wěn)定性好的特點,在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應用1,2].擴散電阻的溫度系數(shù)因擴散表面雜質濃度不同導致薄層電阻大小各異而不一樣.但工藝上難于做到4個P型橋臂電阻的溫.度系數(shù)完全相同,則不可避免地產(chǎn)生“溫度變化時,并無外力作用仍有電阻值的變化.所采用的低阻壓阻壓力傳感器,制作時采用了提高表面摻雜濃度的特殊工藝,減小了硅片的薄層電阻,從而降低了電阻的溫度系數(shù),具有更好的溫度穩(wěn)定性.
　　結合低阻壓阻壓力傳感器的特點,提出低阻壓阻壓力變送器的電路設計方案,并給出相關的性能測試數(shù)據(jù).
1數(shù)字信號調理芯片的選擇
　　針對低阻壓阻壓力傳感器的低阻特性,需要為變送器選擇合適的數(shù)字信號調理芯片.主要從以下3個方面考慮:
(1)變送器所要求的信號傳輸方式是4mA~20mA,所以在芯片選擇上優(yōu)先考慮環(huán)流變送芯片[4].
(2)壓阻壓力傳感器可以采用恒壓源供電,也可以采用恒流源供電,但恒壓源供電與恒流源供電相比存在環(huán)境溫度難以消除的問題[5].而恒流源供電,電橋輸出僅與電流的大小和精度有關,不受溫度的影響.
因此優(yōu)先選擇恒流源供電方式.
(3)由于激勵對象是低阻電橋,電橋橋壓很小,所選芯片需要能夠對小信號進行放大.
　　模擬器件公司(ADI)開發(fā)的AD693芯片,能夠很好地滿足以上需要.AD693是4mA~20mA兩線制輸出變送器功能模塊電路,它是一個完整的單片低電壓/電流變換的回路信號調節(jié)器,采用閉環(huán)電源工作,輸出量程和零點單獨可調,有3種輸出范圍(4mA~20mA、0mA~20mA、12±8mA)可供選擇,能自己供給傳感器工作電壓也可以直接與壓力傳感器相連接.所以是一種比較理想的高集成度單片功能模塊電路.
 
　　AD693的原理圖及管腳,如圖1所示,主要由4部分組成.其中,第1部分是檢測電路信號放大器.第2部分是V/I轉換部分,提供4mA~20mA環(huán)路電流,由第1部分的放大器進行驅動.第3部分提供一個基準電壓,可用不同的電壓來設置不同的“零位”電流.除這3個主要部分之外,還有一個芯片輔助放大器,這個放大器可用于激勵變送器.
2應用電路設計
2.1電橋激勵.
　　利用AD693的基準電壓和輔助放大器,對電橋進行電流激勵,如圖2所示.圖中,1(AUX)腳接限流電阻,配合2(AUX)腳的基準電壓輸入(由芯片分壓網(wǎng)絡提供),可以控制20腳恒流輸出.此限流電阻與芯片內部100n電阻(5腳和6腳之間)配合使用.
 
2.2信號輸入
　　電橋的信號輸人,對應芯片的第17,18管腳,如圖3所示.
　　信號經(jīng)G,緩沖,再由A和G,構成的閉環(huán)放大.A的輸出信號再送V/I轉化.通常放大增益由內部的兩個800Ω的電阻來決定.當輸人信號為0~30mV時,放大2倍后輸出為0~60mV,若信號比較大時,可以短路15.16腳,使得A和G,構成的閉環(huán)放大倍數(shù)為1.也可以配備電阻來調整增益的大小,以調節(jié)輸人滿度的校準(滿度調節(jié)).
2.3V/I轉換
　　由放大器A送人的信號SIN進入G2將其放大后的輸出信號與G21的輸出信號相比較,將差值送人高增益放大器A2放大后控制NPN晶體管,使其輸出達到與G2輸人相應的電流信號.V/I變換器的轉換系數(shù)為0.2666A/V,所以當由16腳(正向)和12腳(反向)輸人75mV信號時,將產(chǎn)生20mA的電流輸出,如.圖4所示.
2.4調零調滿電路
　　由于傳感器是低阻抗應變電橋,對其在2mA供電時,它的橋壓是1.768V,在1MP壓力下電橋滿度輸出24.5mA<30mA,筆者選擇放大器增益2倍以達到一個60mV的信號去驅動V/I轉換部分來達到滿度20mA的輸出(還有15mV的零位電壓,疊加之后為75mV,正好驅動20mA滿度電流).
　　最大測量電壓小于30mV時,在P1(15腳)和6.2V(14腳)之間外加一個電阻Rg,使信號放大器的增益為2.當輸人0~30mV信號時,通過V/I轉換,輸出4mA~20mA電流.外加電阻的阻值按下式計算:
 
　　傳感器應變電橋在零位的時候輸出不一-定是零,可以由一個滑動變阻器X502調節(jié),使得零位達到4mA輸出,從而也使得零位調節(jié)更加方便.
3總體電路
　　綜上所述,由低阻電橋輸人信號到AD693的17和18腳,通過調零和調滿,配合C9013晶體管可以提高驅動能力,從而實現(xiàn)一個完整的小信號放大,輸出標準4mA~20mA信號,整體原理電路圖,如圖6所示.
4變送器靜態(tài)性能測試
　　將變送器接上工作電源(24V),測得變送器的溫漂記錄、線性記錄和時漂記錄,如表1~表3所示.
 
 
5結束語
　　介紹了擴散硅低阻壓阻壓力變送器的設計,詳細地闡述了相應電路的設計方法;并進行了靜態(tài)測試.測試結果表明,該變送器具有優(yōu)良的靜態(tài)性能,在20℃~60℃范圍內可以達到較好的靜態(tài)性能,具有非常理想的時漂,其穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%.