高精度温度\压力\电流综合传感器及其测控仪表的设计

摘要:本文讲述了实际应用中对温度、压力、电流三种参数实用的高精度测量方法,重点分析了压阻式压力传感器的温漂补偿以及铂电阻温度传感器的线性修正方法。

Abstract: The thesis introduces the high accuracy measuring method for the parameters of temperature, pressure and current in practical application. It places emphasis on analysing the temperature drift compensation of piezoresistive pressure transducer and linear calibrating method for Pt resistive temperature transducer.

关键词:传感器;测控系统;设计;温度补偿;线性修正

Key words: sensor; control system; design; temperature compensation; linear calibration

中图分类号:[TN98]文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0223-02

0引言

实际应用系统中,通常会采用多种类型的传感器来满足参数测试的需要,本文描述了微小循环泵测试环境中对循环液温度、压力及泵工作电流这三种工作参数的测量。

单晶硅材料有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应[1],利用单晶硅的压阻效应和集成电路加工技术制成的压阻式压力传感器具有灵敏度高、动态响应快、工作范围宽、稳定性好、易集成化等优点,这种形式的传感器克服了粘贴带来的较大的滞后和蠕变以及固有频率低和集成化困难等缺点。由于半导体材料对温度的敏感性,压阻式传感器受到温度变化影响后将产生零位漂移和灵敏度漂移,零位漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的,扩散电阻的温度系数因扩散表面杂质浓度不同导致薄层电阻大小各异,工艺上很难做到四个P型桥臂电阻的温度系数完全相同,导致温度变化时即使无外力作用仍有阻值的变化形成零漂误差。灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而产生的,压阻系数变化改变灵敏度大小,温度升高时压阻系数变小则灵敏度下降形成灵敏度温漂。对零点和灵敏度温漂,通常采用外接电阻网络对电桥进行补偿。

温度传感器是利用材料的热敏特性实现温度到电量信号的转换。由于各种材料的性能都随温度的变化,理论上所有的材料都能构成温度传感器,但实用的温度传感器应该是灵敏度高、稳定性好、对温度以外的物理量不敏感。温度传感器主要包括利用热电效应原理的热电偶型温度传感器;利用热敏特性的热敏电阻型温度传感器以及利用半导体温度特性的温度传感器。利用半导体陶瓷材料制作的热敏电阻灵敏度高、重复性好、成本低非常适合于小温度范围的温度测量。

1传感器设计

由于压阻式温度传感器性能受温度影响很大[2],需要对惠斯通电桥进行调整以改善传感器的温度特性,图1电路可以补偿压阻式压力传感器的精度至适当水平。

它可以对失调、失调的温度漂移以及灵敏度的温度漂移进行调整。与灵敏度漂移相关的是满偏输出的温度漂移,这两个参数的温度特性互成正比。电路中的调零电阻用来补偿传感器在室温下失调电压,电阻RTS和RTZ用于校正温度误差。由于桥路电阻随着温度上升而增加,使传感器两端的电压也增加。这个增加的电压会使传感器的灵敏度上升,也就是说,给定压力下它将输出更高的电压,如果保持传感器两端电压恒定,传感器的灵敏度就会随着温度的上升而降低。因为桥路电阻受温度影响而增加时,它所引起的灵敏度正向变化系数大于负向灵敏度系数,所以满偏输出趋向于随着温度而增加。电阻器RTS可以在温度上升时旁路掉一部分桥路电流,从而抵消上述效应。类似地,RTZ或R'TZ对失调的漂移进行校正。电路中选择RTZ还是R'TZ取决于失调的温度漂移方向。

考虑到使用现场恶劣的工作条件,采用4～20mA变送电路能实现远距离传输减少外部干扰的影响。XTR101集成4～20mA变送电路内部提供两路1mA恒流源,可直接将压阻桥路电压输出变送成为两线制信号输出,芯片线性为0.1‰不会带来附加的线性误差,图2是压阻式压力传感器4～20mA变换的原理图,需要注意的是电阻的阻值选择,务必使桥路输出的共模电压在+4～+6V之间以得到最佳的线性操作。

热敏电阻值随温度变化而显著变化这样就将温度变化转换成电量信号,实际设计中采用Pt100热敏电阻经XTR105集成4～20mA变送电路转换成二线路制信号远传至测控仪表。图3为铂电阻两线制变送电路,图中RLIN1提供对铂电阻的二阶线性修正,RG是增益电阻,具体数值按以下公式选取:

RG=■;

RLIN1=■

其中 RZ是铂电阻温度测量范围低温点对应的阻值;R1是铂电阻温度测量范围一半时对应的阻值;R2是铂电阻温度测量范围高温点对应的阻值;RLIN=1kΩ。

采用电阻取样法测量电流形式简洁、精度高,只要电阻的温度系数足够小,则测量结果受温度影响很小,但取样电阻过大会分得一部分供电电压导致泵用供电电压降低,故取样电阻的选择要结合工作电流的大小不可分压过大,尤其要考虑到泵的瞬间启动电流的大小。电流信号经取样电阻转换为电压信号,但此电压信号为高共模电压浮动信号,对如此高的共模电压(达到电源供电电压)输入,通常的运放都是无法忍受的,应采用专用的高共模电压输入运放如经仪用放大器将浮动信号转变成单端信号,再经真有效值转换芯片把交变信号转变成直流电压输出,这样就完成变交电流到直流电压信号的高精度转换。

2测控系统构成

测控系统完成参数测试结果的采集、变换、显示等功能并实现与外界的接口,由于测试输入通道较多(5路),采用多路开关加1片高精度逐次逼近式A/D方式可节约成本又满足精度要求。多路开关采用MC144051 8选1多路开关,该芯片具有延时时间短、输入电压幅度宽等优点并可直接由MCU I/0口控制驱动。MAX195 16位逐次逼近式AD芯片具有高速(转换时间9.6MS)、高精度(16位)、低功耗等功能,尤其是芯片本身具有自校准功能可以修正由于工作环境变化导致本身的线性和零点漂移,芯片具有标准SPI接口可与MCU有效通信。由于显示位数很多,每一路显示用一片数显驱动电路复杂且占用I/0口资源严重,采用数显芯片级联方式扩展了显示位数减少了系统资源占用,软件时序复杂但硬件成本降低。

3系统软件编制

开发单片机应用系统时,汇编语言是常用工具,它能直接操作硬件指令执行速度快,但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大,难于编写与调试可移值性也差。随着单片机性能的提高其工作速度越来越快,在编写程序时更着重于程序本身的编写效率。FranklinC51是专为80C51系列单片机设计的高级C语言编译器,使用后可缩短软件开发周期,降低开发成本,开发出的系统易于维护、可靠性高、可移植性好最重要的是代码使用效率上完全可与汇编语言相比。C语言提供了完备的规范化流程控制线结构,对于大型程序可按功能分成若干模块,程序直观便于管理,对于象本文介绍的这样比较复杂的系统采用C51编程可以更容易实现。为了获取更精确的结果需要对A/D变换采集的数据用软件进行线性补偿,具体方法是先建立理想的直线方程,分析实测数据找出误差直线规律分段进行线性修正,对应于当前的模拟输入量,线性修正后的输出数值上等于模拟输入量加误差修正量,软件补偿后线性可提高至万分之五以内。

4结束语

影响压阻式压力传感器和铂电阻温度传感器精度的主要原因是传感器的非线性,经调理电路和软件补偿后,传感器的线性度得到补偿,总精度得到提高。采用电阻取样法测量微小电流,精度高、稳定性是非常有效的测量方法。

参考文献:

[1]袁希光.传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社,1989:420,446-448.

[2]丁镇生.传感及其遥控遥测技术应用[M].北京:电子工业出版社,2003.