1引言
由于擴(kuò)散硅
壓力變送器采用了硅彈性材料、半導(dǎo)體工藝和微機(jī)械加工技術(shù),它體積小(芯片2×2mm)、成本低、精度一、穩(wěn)定性好,且能以O(shè)EM方式提供給整機(jī)廠進(jìn)行二次開發(fā),所以得到了迅速普及。擴(kuò)散硅壓力傳感器通過擴(kuò)散電阻的壓阻效應(yīng)感應(yīng)壓力變化,從根本上受溫度影響比較高大,限制了它在寬溫區(qū)的精度。
2擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償方法
擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償一般分內(nèi)補(bǔ)償和外補(bǔ)償。內(nèi)補(bǔ)償通過傳感器的設(shè)計(jì)、制造工藝,封裝材料、形式來減小特點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù),特別是通過控制擴(kuò)散阻條的摻雜濃度,使傳感器的滿量程溫度系數(shù)控制在0.75FS/全溫區(qū),在一般應(yīng)用中做到滿量程***補(bǔ)償。由于內(nèi)補(bǔ)償有局限性,所以必須進(jìn)行外補(bǔ)償。外補(bǔ)償?shù)男问蕉鄻?有通過固定電阻網(wǎng)絡(luò)的兩點(diǎn)式補(bǔ)償(特點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)為0.75FS/70℃,0～70℃);通過熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)的三點(diǎn)式補(bǔ)償(特點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)為0.5FS/55℃,-30～+80℃;通過單片機(jī)的智能多點(diǎn)補(bǔ)償(智能壓力變送器)等。近年來,集信號處理、溫度補(bǔ)償于一體的壓阻式傳感器專用信號調(diào)理芯片(SSC)以其高集成、多功能,大大提高了擴(kuò)散硅壓力傳感器的性能價(jià)格比。這類芯片的溫度補(bǔ)償方法與單片機(jī)的智能多點(diǎn)補(bǔ)償類似,通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度,溫度值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作為地址指針,儲存在存貯器中此地址的特點(diǎn)和滿量程的溫度修正系數(shù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量,修正傳感器輸出信號中特點(diǎn)和滿量程的溫度漂移。這類芯片的存貯器的類型有ROM、EPROM(SCA2095)、E2PROM(MAX1457)型;
有片外,也有集成在片內(nèi)(SCA2095)的。溫度傳感器有的集成在片內(nèi),有的外接,還有的利用擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來感應(yīng)溫度。
3MAX1457的組成及補(bǔ)償原理
MAX1457是這種專用芯片中比較高典型的1個(gè),它包括1個(gè)傳感器激勵(lì)電流源;1個(gè)3位可編程增益放大器;5個(gè)16位D/A轉(zhuǎn)換器;1個(gè)12位帶可編程數(shù)字增益和數(shù)字偏置調(diào)整的A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)通用運(yùn)算放大器。
MAX1457利用擴(kuò)散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來感應(yīng)溫度,不僅可以補(bǔ)償傳感器特點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)的******誤差(相當(dāng)于兩點(diǎn)補(bǔ)償),還可以通過查表法補(bǔ)償特點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)的******誤差。E2PROM中特點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)存貯數(shù)量各為120個(gè)(240字節(jié)),如果溫度分辨率足夠的話,對于從-40～+125℃,可以每隔1.4℃插特點(diǎn)。一般擴(kuò)散硅壓力傳感器特點(diǎn)和滿量程的溫度系數(shù)為0.01FS/℃,故理論上傳感器溫度誤差可以補(bǔ)償?shù)?.014FS/℃(-40～+125℃).
MAX1457特點(diǎn)溫度補(bǔ)償如圖1所示,它是將存貯在E2PROM中的特點(diǎn)溫度漂移值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量OTCDAC后,經(jīng)A1放大,再通過求和電路與經(jīng)過PGA放大的傳感器信號相加減,達(dá)到補(bǔ)償特點(diǎn)溫度誤差的效果。
MAX1457滿量程溫度補(bǔ)償采用與兩點(diǎn)補(bǔ)償和三點(diǎn)補(bǔ)償同樣的原理,改變傳感器的供電電流。對于恒流激勵(lì)模式,擴(kuò)散硅傳感器的輸出如下式:
Vout=S·Rb·Ib
滿量程溫度系數(shù)為靈敏度溫度系數(shù)與橋路電阻溫度系數(shù)之和,由于制造工藝原因,滿量程溫度系數(shù)很難控制為***,通?？刂茷檎龜?shù),再通過改變傳感器供電電流Ib的溫度系數(shù),進(jìn)一步補(bǔ)償。如圖2所示,
MAX1457將存貯在E2PROM中的滿量程溫度漂移值
轉(zhuǎn)換為模擬量FSOTCOUT,改變鏡像電流源I,進(jìn)而改變擴(kuò)散硅傳感器供電電流Ib,將滿量程溫度誤差修正到要求值。
4全溫區(qū)精度(0.1***)壓力變送器的研制
MAX1457的功耗很低,電源電流更為2.6mA,可以用于二線制,4～20mA信號輸出的全溫區(qū)精度壓力變送器中。應(yīng)用MAX1457研制的壓力變送器組成如圖3所示。
由于是全溫區(qū)(-30～+80℃)壓力變送器,所以要考慮MAX1457供電電源的溫度系數(shù)。MAX1457的輸出是將傳感器輸出信號放大的電壓信號(0.5～4.5VDC),壓力變送器將此電壓信號經(jīng)過V/I變換,轉(zhuǎn)為電流信號輸出0～16mA,此電流與電源電流4mA疊加成兩線制4～20mA輸出。電源電流由各個(gè)元器件的耗電電流決定,各個(gè)元器件的耗電電流在不同溫度下的變化將影響傳感器的特點(diǎn)輸出電流,雖然這個(gè)變化量可通過MAX1457補(bǔ)償,但是卻增加了對傳感器特點(diǎn)溫度系數(shù)的要求。測量評估板在不同溫度下的電流(包括傳感器耗電電流0.5mA),-30℃時(shí)為3.36mA,25℃時(shí)為2.87mA,80℃時(shí)為2.67mA.其變化量相當(dāng)于4.5FS,通過在電路中采用高溫度系數(shù)恒流源提供電路電源電流來消除這個(gè)影響。
通過MAX1457補(bǔ)償傳感器特點(diǎn)、量程溫度系數(shù),
一般要求傳感器特點(diǎn)溫度系數(shù)不大于1.5倍靈敏度溫度系數(shù)(TCS),傳感器量程溫度系數(shù)應(yīng)為正。傳感器量程溫度系數(shù)為負(fù)時(shí),應(yīng)在傳感器供電電流部分加二***管校正;傳感器特點(diǎn)失調(diào)過大超出MAX1457補(bǔ)償范圍時(shí),可在傳感器橋路中串電阻進(jìn)行修正。
用MAX1457進(jìn)行溫度補(bǔ)償,首先要進(jìn)行******線性補(bǔ)償,然后再進(jìn)行******矢量插值補(bǔ)償。對于-30～+80℃溫度補(bǔ)償,******線性補(bǔ)償通常選-35℃、
+85℃.******矢量插值通常從低溫-35℃開始,且要注意地址數(shù)字增益要合適,以防插值到高溫時(shí),超出存貯器存貯范圍,前功盡棄。
用MAX1457研制精度壓力變送器,在線路板布線時(shí)要防止引入干擾。
部基準(zhǔn)可以選用GPS信號等。
QRS除在導(dǎo)航系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用外,還可應(yīng)用于醫(yī)院的自動(dòng)升降機(jī)、救護(hù)車中。
3.2 在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
在控制系統(tǒng)中使用QRS時(shí),應(yīng)該考慮傳感器響應(yīng)中幅值與相位的關(guān)系。典型的控制系統(tǒng)應(yīng)用是在機(jī)械結(jié)構(gòu)的減振系統(tǒng)中。機(jī)械結(jié)構(gòu)幾乎沒有純粹的線性運(yùn)動(dòng),大都包含有轉(zhuǎn)動(dòng)部分或是軸,飛機(jī)、汽車、船只的減振系統(tǒng)都會用到QRS.
在閉合控制系統(tǒng)中使用時(shí),必須注意穩(wěn)定性,即使測試平臺移動(dòng)了,QRS與被測量部分也必須很牢固地耦合,不能有任何移動(dòng),通常需要在萬向支架上安裝攝像機(jī)或***天線來監(jiān)測它。當(dāng)然,萬向支架在伺服控制環(huán)的帶寬內(nèi)應(yīng)沒有機(jī)械振動(dòng),應(yīng)該考慮伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換函數(shù),設(shè)計(jì)時(shí)保證足夠的相位冗余以防止振動(dòng)。為了能夠自由移動(dòng)攝像機(jī)或***天線,所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)必須能夠?qū)C偏移量進(jìn)行控制,以便旋轉(zhuǎn)定位支架上的攝像機(jī)。
圖3為QRS在控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用。QRS是伺服控制環(huán)中的底部分,可用于為移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡提供指向角度和圖象穩(wěn)定性信息。為簡單起見,望遠(yuǎn)鏡被固定在僅能沿空間方位轉(zhuǎn)動(dòng)的測試臺上。
對于低頻控制環(huán)部分,由于垂直方向的基準(zhǔn)單元確保望遠(yuǎn)鏡所在點(diǎn)的指示角度與測量目標(biāo)的角度相匹配,因此必須設(shè)定一個(gè)長期穩(wěn)定的位置基準(zhǔn)。一般情況下,控制環(huán)中還應(yīng)有一個(gè)成比例或差分控制元件。
4 結(jié)論
基于慣性敏感技術(shù)的石英晶體轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器可以提供簡單可靠的轉(zhuǎn)速測量,因此可在新型儀器的設(shè)計(jì)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中廣泛使用。