惠斯通電橋式壓力傳感器溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

陳碧海，陳杉杉，程寶進(jìn)

惠斯通電橋式壓力傳感器溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

陳碧海，陳杉杉，程寶進(jìn)

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

基于惠斯通電橋式壓力傳感器橋阻隨溫度變化的特性，電路設(shè)計(jì)通過利用橋阻隨溫度變化、橋路電壓也隨之改變的特性，完成對(duì)壓力傳感器的溫度補(bǔ)償。針對(duì)壓力傳感器靈敏度正溫度系數(shù)-零位正溫度系數(shù)、靈敏度正溫度系數(shù)-零位負(fù)溫度系數(shù)、靈敏度負(fù)溫度系數(shù)-零位正溫度系數(shù)、靈敏度負(fù)溫度系數(shù)-零位負(fù)溫度系數(shù)這四種情況進(jìn)行補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，并對(duì)傳感器靈敏度溫度補(bǔ)償部分電路進(jìn)行公式推導(dǎo)，選擇合適的電路參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，電路補(bǔ)償達(dá)到理想效果。

壓力傳感器；惠斯通電橋；溫度補(bǔ)償

引 言

惠斯通電橋式檢測原理廣泛應(yīng)用于壓力傳感器，典型的有濺射薄膜式壓力傳感器、厚膜式壓力傳感器和半導(dǎo)體應(yīng)變式壓力傳感器。無論哪種原理的傳感器，溫度誤差都或多或少地存在，一般傳感器溫度誤差可達(dá)2%或更多。因此，在實(shí)際使用過程中必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。目前，大部分補(bǔ)償方法是在傳感器鄰近部位增加熱敏元件并接入檢測電路中進(jìn)行補(bǔ)償。該方法弊端是熱敏元件與壓力傳感器敏感壓力部位存在溫度差，或溫度達(dá)到平衡存在時(shí)間差，造成測量的誤差。因此，對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)睦硐胪緩绞窃趥鞲衅髅舾性课徊杉瘻囟刃盘?hào)，通過對(duì)其處理以補(bǔ)償傳感器的溫度誤差。

1 惠斯通電橋式壓力傳感器原理及誤差來源分析

惠斯通電橋式壓力傳感器由四個(gè)橋臂電阻組成，如圖1所示[1,2]。

圖1 惠斯通電橋電路圖

如以恒壓源激勵(lì)，則橋路輸出

令1=4=0–Δ，2=3=0+Δ

0為傳感器零位電阻，Δ為傳感器感壓后電阻變化值，則

其中Δ/0為橋路的靈敏度。

如以恒流源激勵(lì)，則

s＝*Δ。 （2）

由式（1）可以看出，橋路輸出與Δ、0相關(guān)。Δ、0均是隨溫度變化的參數(shù)，如Δ、0隨溫度變化的系數(shù)相同，則可以自身起到靈敏度溫度補(bǔ)償作用，但兩者溫度系數(shù)接近，實(shí)際上是很難的，有時(shí)方向甚至是相反的，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋路輸出溫度系數(shù)更差。

由式（2）可以看出，恒流源激勵(lì)時(shí)，不變，橋路輸出僅與Δ相關(guān)，Δ不僅隨壓力變化，還隨溫度變化。

根據(jù)壓力傳感器靈敏度的溫度特性，可以選擇恒壓源激勵(lì)或恒流源激勵(lì)，這對(duì)傳感器溫度靈敏度有一定改善，但仍然不能最大程度地補(bǔ)償靈敏度溫度。

如果1、2、3、4的初始電阻0不同，且電阻溫度系數(shù)雖然為相同工藝，但仍可能存在微小差異，那么橋路輸出的零位不是零，且零位溫度系數(shù)可能為正也可能為負(fù)。

因此，壓力傳感器的靈敏度溫度補(bǔ)償和零位溫度補(bǔ)償對(duì)傳感器的穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要。

2 補(bǔ)償方式選擇

根據(jù)上述分析可知，恒壓源激勵(lì)方式對(duì)靈敏度正溫度系數(shù)壓力傳感器的靈敏度有一定補(bǔ)償，但補(bǔ)償效果是不可控的，補(bǔ)償效果取決于Δ/0的溫度穩(wěn)定性，即Δ和0隨溫度變化的相互關(guān)系，這個(gè)關(guān)系是傳感器自身特性決定的。為了改善傳感器溫度特性，必須針對(duì)這兩個(gè)變量進(jìn)行后續(xù)增加感溫元件和電路補(bǔ)償，補(bǔ)償方式相對(duì)較復(fù)雜。

恒流源激勵(lì)方式橋路輸出僅與Δ相關(guān)，Δ在固定應(yīng)變情況下，還與溫度相關(guān)，有可能為正溫度系數(shù)也可能為負(fù)溫度系數(shù)，無論那種壓力傳感器，僅對(duì)Δ隨溫度變化的趨勢補(bǔ)償即可。

由于1=4=+Δ，2=3=–Δ，橋路總電阻b=(1+2)//(3+4)=0，1、2變化互抵，3、4變化互抵，b在壓力作用下不變，僅隨溫度變化而變化[3]。我們通過測量恒流源橋路電壓，即可得到橋路電阻，橋路電阻隨溫度變化而變化，進(jìn)而可以對(duì)傳感器零度溫度系數(shù)和零位溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

這種補(bǔ)償方法避免了由于外加溫度傳感器與壓力傳感器敏感芯體實(shí)際溫差帶來的補(bǔ)償誤差，提高了溫度補(bǔ)償?shù)木?，同時(shí)節(jié)約了成本，簡化了電路的設(shè)計(jì)。

3 補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

壓力傳感器全橋路電阻均為正溫度系數(shù)，根據(jù)壓力傳感器輸出靈敏度為正溫度系數(shù)、負(fù)溫度系數(shù)設(shè)計(jì)兩種電路，并根據(jù)零位正溫度系數(shù)、負(fù)溫度系數(shù)對(duì)零位補(bǔ)償電路進(jìn)行調(diào)整。

3.1 傳感器靈敏度為負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

根據(jù)壓力傳感器靈敏度為負(fù)溫度系數(shù)、橋路電阻是正溫度系數(shù)[4,5]，設(shè)計(jì)負(fù)溫度系數(shù)壓力傳感器溫度補(bǔ)償電路如圖2所示。圖2中電路A1用于構(gòu)成恒流源電路，A2用于構(gòu)成橋路輸出的差動(dòng)放大，A3用于對(duì)恒流源的溫度補(bǔ)償，A4用于輸出級(jí)放大，同時(shí)進(jìn)行調(diào)零和零位溫度補(bǔ)償。

圖2 傳感器靈敏度負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路-零位負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路

由運(yùn)放A1和橋路電阻5、6、7構(gòu)成恒流源激勵(lì)壓力傳感器檢測電路。橋路電阻隨溫度升高而增加，橋路電壓s增加，經(jīng)A3構(gòu)成的反向放大器后輸出電壓t減小，經(jīng)16反饋于橋路，使橋路電流增加，從而提高壓力傳感器橋路輸出靈敏度。調(diào)節(jié)16大小，可以使靈敏度隨溫度提高量值與傳感器本身靈敏度隨溫度降低量值相當(dāng)，達(dá)到靈敏度溫度補(bǔ)償作用。具體公式推導(dǎo)如下。

A3為反向放大，根據(jù)基本差動(dòng)放大電路輸出電壓為

根據(jù)A1構(gòu)成恒流源電路，可得到

將式（4）代入式（5）有

根據(jù)式（6）推出

對(duì)于零位負(fù)溫度系數(shù)的傳感器，在圖2中A4放大電路部分，通過t、17作用于A4反向端使輸出零位0隨溫度增加而增加，調(diào)節(jié)17阻值可以調(diào)節(jié)零位補(bǔ)償?shù)牧恐?，使補(bǔ)償增加量值與傳感器本身零位降低量值相當(dāng)，達(dá)到零位溫度補(bǔ)償作用。

對(duì)于零位正溫度系數(shù)的傳感器，需對(duì)圖2中A4放大電路部分進(jìn)行調(diào)整，通過t、14作用于A4同向端，z、17作用于A3反向端。t使輸出零位0隨溫度增加而減小，調(diào)節(jié)14阻值可以調(diào)節(jié)零位補(bǔ)償?shù)牧恐?，使補(bǔ)償減小量值與傳感器本身零位增加量值相當(dāng)，達(dá)到零位溫度補(bǔ)償作用。

3.2 傳感器靈敏度為正溫度系數(shù)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

根據(jù)壓力傳感器靈敏度為正溫度系數(shù)、橋路電阻是正溫度系數(shù)[6]，設(shè)計(jì)靈敏度為正溫度系數(shù)補(bǔ)償電路如圖3所示，圖中電路A1用于構(gòu)成恒流源電路，A2用于構(gòu)成橋路輸出的差動(dòng)放大，A3用于對(duì)恒流源的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，A4用于輸出級(jí)放大，同時(shí)進(jìn)行調(diào)零和零位溫度補(bǔ)償。

圖3 傳感器靈敏度正溫度系數(shù)-零位負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電路

由運(yùn)放A1和橋路電阻567構(gòu)成恒流源激勵(lì)壓力傳感器檢測電路。橋路電阻隨溫度升高而增加，橋路電壓s增加，經(jīng)A3構(gòu)成的正向放大器后輸出電壓t增大，使橋路電流減小，從而降低壓力傳感器橋路輸出靈敏度。調(diào)節(jié)16大小，可以使電路靈敏度隨溫度降低量值與傳感器本身靈敏度隨溫度增加量值相當(dāng)，達(dá)到靈敏度溫度補(bǔ)償作用。

具體公式推導(dǎo)如下。

A3為正向放大，根據(jù)基本差動(dòng)放大電路輸出電壓為

根據(jù)A1構(gòu)成恒流源電路，可得到

將式（10）代入公式（11）有

根據(jù)式（12）推出

對(duì)于零位負(fù)溫度系數(shù)的傳感器，在圖3中A4放大電路部分，通過t、14作用于A4同向端使輸出零位0隨溫度增加而增加，增加量值與傳感器本身零位降低量值相當(dāng)，達(dá)到零位溫度補(bǔ)償作用。

對(duì)于零位正溫度系數(shù)的傳感器，需對(duì)圖3中A4放大電路部分進(jìn)行調(diào)整，通過t、17作用于A4反向端，z、14作用于A4同向端，使輸出零位0隨溫度增加而減小，減小量值與傳感器本身零位增加量值相當(dāng)，達(dá)到零位溫度補(bǔ)償作用。

4 試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果

由上式可看出分子部分Δ隨溫度增加或減小10%，分母部分亦隨溫度增加或減小10%，變化比例相同，輸出Δ得到補(bǔ)償不變。

由上式可看出分子部分Δ隨溫度增加或減小1%，分母部分亦隨溫度增加或減小1%，變化比例相同，輸出Δ得到補(bǔ)償不變。

5 結(jié)束語

文中分析了惠斯通電橋式壓力傳感器的溫度誤差產(chǎn)生原因，根據(jù)傳感器的靈敏度正溫度系數(shù)、靈敏度負(fù)溫度系數(shù)、零位正溫度系數(shù)、負(fù)溫度系數(shù)四種情況分別進(jìn)行了溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，并對(duì)靈敏度補(bǔ)償進(jìn)行了公式推導(dǎo)。經(jīng)過電路合理參數(shù)的選取，計(jì)算電路靈敏度溫度補(bǔ)償情況，計(jì)算結(jié)果表明電路的靈敏度溫度補(bǔ)償達(dá)到理想效果。

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The design of temperature compensation circuit for pressure sensor based on Wheatstong bridge

CHEN Bihai, CHEN Shanshan, CHENG Baojin

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

The circuit design is based on the characteristics of Wheatstone bridge pressure sensor’s resistance changing with temperature.The temperature compensation of pressure sensor is completed by the change of the bridge voltage with bridge resistance which is dependent on temperature.The circuit is designed for temperature compensate accordance with four types: the positive sensitivity temperature coefficient with positive zero temperature coefficient, the positive sensitivity temperature coefficient with negative zero temperature coefficient, the negative sensitivity temperature coefficient with positive zero temperature coefficient and the negative sensitivity temperature coefficient with negative zero temperature coefficient. The theoretical analysis,formula deduction and practical calculation procedures are also presented. The result of parameter calculation shows that the circuit compensation achieves the ideal effect.

Pressure sensor; Wheatstone bridge; Temperature compensation

TH812

A

CN11-1780(2020)02-0015-05

2019-05-21

2019-12-25

Email:ycyk704@163.com

TEL:010-68382327 010-68382557

陳碧海 1964年生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閴毫y試設(shè)備。

陳杉杉 1985年生，工程師，主要研究方向?yàn)閴毫鞲衅鳌?/p>

程寶進(jìn) 1988年生，工程師，主要研究方向?yàn)閴毫y試設(shè)備。