幾種實用的壓力傳感器靈敏度溫度漂移補償方法
1、引言
現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱是傳感器技術(shù),、通信技術(shù)和計算機技術(shù),它們分別構(gòu)成信息系統(tǒng)的“感官”,、“神經(jīng)”和“大腦”,。傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件,,幾乎應(yīng)用于所有的技術(shù)領(lǐng)域,世界各國都越來越重視傳感器的研制與開發(fā),。
壓力傳感器是應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一,,今年來,先進國家都加大了對壓力傳感器的研究力度,。對壓力傳感器的研究集中在原理、制造工藝,、傳感器補償技術(shù)與信號調(diào)理上?,F(xiàn)有壓力傳感器在原理和生產(chǎn)工藝上主要有電容式、粘貼式,、硅壓阻式,、合金電阻應(yīng)變式幾種,各種傳感器的工藝技術(shù)都日趨成熟,,尤其是合金電阻應(yīng)變式壓力傳感,,性能優(yōu)越,應(yīng)用越來越廣泛,。本文針對影響硅壓阻式和合金薄膜應(yīng)變式壓力傳感器測量精度的一個主要誤差——靈敏度溫漂進行分析,,探討各種補償方法,通過對靈敏度溫漂的有效補償,,減少溫度變化引起的測量誤差,,提高壓力傳感器測量精度。
2,、影響壓力傳感器靈敏度溫漂的主要因素
2.1 靈敏度和靈敏度溫漂
硅壓阻式和合金薄膜壓力傳感器采用的轉(zhuǎn)換電路一般為全橋應(yīng)變電路,,測量原理見圖1示:
圖1 全橋應(yīng)變電路
壓力傳感器敏感芯片受到壓力產(chǎn)生電阻阻值改變,R1和R4電阻增大,,R2和R3電阻減小,,橋路輸出一個與壓力成正比的電信號。理論上,,4個電阻阻值相同,,均為R,電阻R1和R4的變化值均為ΔR,,電阻R2和R3的變化值均為(-ΔR),,可推導出,傳感器的零點輸出見公式(1):
ΔV=U×ΔR/R (1)
靈敏度是指壓力傳感器在滿量程壓力下,,單位輸入所產(chǎn)生的輸出,;是壓力傳感器的靜態(tài)特性中的一項重要指標,。靈敏度溫漂指壓力傳感器的滿量程輸出隨溫度變化的改變率。壓力傳感器的靈敏度溫漂的計算公式見式(2):
β=(YF.S(t2)- YF.S(t1))×100%/[YF.S(t1)×( t2- t1)]/℃ (2)
其中YF.S表示壓力傳感器的滿量程輸出,。
2.2 產(chǎn)生靈敏度溫漂的主要原因
2.2.1 產(chǎn)生硅壓阻式傳感器靈敏度溫漂的主要原因
對于硅壓阻式壓力傳感器,,產(chǎn)生靈敏度溫漂的原因是多方面的。壓力靈敏度與壓阻系數(shù)成比例關(guān)系,,壓阻系數(shù)是溫度的函數(shù),,因此壓阻系數(shù)隨溫度變化是產(chǎn)生靈敏度溫漂的主要原因。壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降,,靈敏度溫度系數(shù)總是小于零,,而且壓敏電阻的壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)大,一般需要進行溫度補償,,這是硅壓阻式壓力傳感器最大缺點,。另外,絕緣層與基底材料的熱膨脹系數(shù)不匹配,,電阻摻雜不合適等也會影響靈敏度溫漂,。因此壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)造成的溫漂相對比較復雜,補償相對困難,,但一般有一定的規(guī)律,,可按照經(jīng)驗和規(guī)律進行補償。
2.2.2 產(chǎn)生合金薄膜應(yīng)變式傳感器靈敏度溫漂的主要原因
對于合金薄膜應(yīng)變式壓力傳感器,,由于應(yīng)變電阻隨彈性元件的變化而變化,,而彈性元件彈性模量是溫度的函數(shù),隨著溫度增加,,彈性模量會增大,,所以壓力傳感器有一個正的靈敏度溫漂;這是影響靈敏度溫漂的主要原因,。由于彈性模量的溫度系數(shù)為一定值,,所以,合金薄膜壓力傳感器的靈敏度溫漂基本為一恒定值,,補償相對簡單,,方便進行補償。
3,、幾種補償靈敏度溫漂的方法
下面介紹目前通用的幾種靈敏度溫漂的補償方法:
如圖2示:將二極管串接入橋路的供壓電源端來實現(xiàn)靈敏度溫漂的補償,;其原理是:對橋路采用恒壓源供電,二極管在正向使用時相當于負溫度系數(shù)的小電阻,,當環(huán)境溫度增加,,二極管正向電阻值減小,二極管的分壓減小,橋路的供橋電壓增加,,使得傳感器的零點輸出與滿量程輸出增加,,從而達到補償硅傳感器的負靈敏度溫漂。這種方法簡單實用,,適應(yīng)于硅壓阻式傳感器的靈敏度溫漂補償,;缺點是二極管補償方式離散性大,不能實現(xiàn)連續(xù)補償,。
3.2 熱敏電阻補償法
采用恒壓源供電,,橋式電路的輸出與供橋電壓成正比,與橋臂電阻的變化量(ΔR1+ΔR4-ΔR2-ΔR3)成正比,,與橋臂平均電阻R成反比,。通過改變橋壓的大小就可以實現(xiàn)靈敏度溫漂的補償。在橋路的供壓電源端來串入一個溫度系數(shù)比橋臂電阻大得多的熱敏電阻,,通過在不同溫度下,,熱敏電阻的分壓不同,引起橋路的供橋電壓改變,,從而達到改變傳感器零點和滿量程的改變。澤天傳感在濺射薄膜壓力傳感器的溫度補償上,,長期采用這種補償方式,,結(jié)果表明,該補償方式簡單易行,,效果良好,。
對于硅壓阻式傳感器,由于電阻的溫度系數(shù)與壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)均為負值,,在熱敏電阻的選擇上,,要選擇負溫度系數(shù)比橋臂電阻大得多的熱敏電阻,這樣,,在高溫下,,熱敏電阻的分壓比常溫下小,橋路的供橋電壓增加,,滿量程輸出增加,,起到補償作用。合金應(yīng)變式壓力傳感器的補償與硅壓阻式相反,,因為彈性材料與合金電阻材料的溫度系數(shù)均為正值,,熱敏電阻須選擇正溫度系數(shù)大的電阻,如純銅電阻,。
通過串接熱敏電阻方式補償靈敏度溫漂,,工藝簡單,補償精度也高;這種方法相比教于二極管補償方法更精確,,熱敏電阻的溫度系數(shù)成線性,,可以實現(xiàn)連續(xù)精確的補償,是最常用的補償方法,。
3.3 數(shù)字化補償
由于高精度的數(shù)字調(diào)理電路的發(fā)展,,壓力傳感器的零點溫漂與靈敏度溫漂都可以通過后期電路進行修正。在數(shù)字調(diào)理芯片內(nèi)部,,帶有溫度傳感器,,能實時測量傳感器環(huán)境溫度。電路內(nèi)部存儲器,,可以預(yù)先存入各種溫度下對應(yīng)的零點與滿量程輸出值,。在各種環(huán)境溫度下,通過內(nèi)部溫度傳感器測量實時溫度,,電路調(diào)出預(yù)先存儲的該溫度點下的零點與滿量程輸出值,,從而達到補償?shù)哪康摹?
4、結(jié)論
本文通過分析硅壓阻式和合金薄膜應(yīng)變式壓力傳感器的靈敏度溫漂產(chǎn)生的主要原因,,針對靈敏度溫漂的特點,,介紹幾種有效的補償方法。分析和澤天傳感長期的實驗結(jié)果表明:通過熱敏電阻或高精度調(diào)理電路都可以實現(xiàn)對壓力傳感器的靈敏度溫漂的有效補償,,使壓力傳感器溫度誤差滿足0.2級或更高精度要求,。
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