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測試.測試數據表明,該變送器在20℃~60℃范圍內具有優良的靜態性能,以及非常理想的時漂,穩定性優于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、穩定性好的特點,在生產實踐中得到了廣泛的應用1,2].擴散電阻的溫度系數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.度系數完全相同,則不可避免地產生“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,具有更好的溫度穩定性.
　　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據.
1數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先考慮環流變送芯片[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器,采用閉環電源工作,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G,緩沖,再由A和G,構成的閉環放大.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,構成的閉環放大倍數為1.也可以配備電阻來調整增益的大小,以調節輸人滿度的校準(滿度調節).
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,使得零位達到4mA輸出,從而也使得零位調節更加方便.
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;并進行了靜態測試.測試結果表明,該變送器具有優良的靜態性能,在20℃~60℃范圍內可以達到較好的靜態性能,具有非常理想的時漂,其穩定性優于0.1%.