溫壓復(fù)合式傳感器設(shè)計與實現(xiàn)

李彥芳，李本亮，劉 珂，孫瑜

（中國飛行試驗研究院，陜西西安 710089）

機載測試等領(lǐng)域需要采集大量的壓力和溫度參數(shù)，在應(yīng)用中，對于每臺壓力傳感器和管道溫度傳感器，都需要面對管路接口安裝、密封，電氣接口布置等諸多共同問題。

若將二者功能合為一體，實現(xiàn)組合式測量，可以大大減小傳感器在系統(tǒng)的占用空間與接線數(shù)量，降低使用成本，減小使用現(xiàn)場的工作量。

溫壓復(fù)合式傳感器采用一體化設(shè)計，將溫度及壓力傳感器的功能加以組合，能夠同時測量溫度與壓力參量，更大程度地獲得被測目標的信息，并采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，使得傳感器集成化程度高[1]。

1 傳感器工作原理

傳感器由壓力敏感元件、溫度敏感元件、信號調(diào)理電路、電源電路等功能模塊構(gòu)成。壓力敏感元件、溫度敏感元件分別將介質(zhì)壓力、溫度轉(zhuǎn)換成適于測量的電信號，信號調(diào)理電路通過微處理器實現(xiàn)信號采集、A/D 轉(zhuǎn)換、全溫區(qū)溫度漂移誤差補償、全量程非線性誤差修正，并結(jié)合模擬電路對信號進行濾波、調(diào)整，變成便于顯示、記錄、控制處理的標準信號；電源電路將外部供電電源轉(zhuǎn)化為二次電源，供內(nèi)部元件使用。傳感器原理框圖如圖1 所示。

圖1 傳感器原理框圖

2 主要技術(shù)指標

溫壓復(fù)合式傳感器將感受到的介質(zhì)溫度、壓力分別轉(zhuǎn)換為0.5 VDC～4.5 VDC 模擬電壓信號，以供后續(xù)采集記錄設(shè)備使用。傳感器擬實現(xiàn)如下技術(shù)指標：

1）壓力測量范圍：0～35 MPa；

2）溫度測量范圍：-55～+200 ℃；

3）供電：27（1±10%）VDC；

4）輸出信號：0.5 VDC～4.5 VDC；

5）測量精度：小于或等于0.3%F.S（非線性、遲滯、重復(fù)性）；

6）絕緣電阻：大于或等于500 MΩ/500 V。

3 傳感器設(shè)計

3.1 壓力敏感元件

傳感器設(shè)計中選用了應(yīng)用最為廣泛的壓阻式敏感元件。壓阻式敏感元件通過硅膜片上的等臂差動惠斯登全橋作為敏感檢測電路，以獲得最高的靈敏度和輸出線性度。敏感元件電阻率變化主要由壓阻系數(shù)、材料彈性模量和泊松比等因素決定，這些因素受溫度變化的影響很大[2]。

隨著微機械加工技術(shù)的發(fā)展，壓阻式敏感元件能夠獲得良好的重復(fù)性、低遲滯性和長期穩(wěn)定性，在實際使用中需要解決的主要問題是溫度漂移誤差，再者，敏感元件的輸出信號是毫伏級小信號，需要對該信號進行調(diào)理，以使傳感器輸出便于采集記錄的標準信號。

3.2 溫度敏感元件

傳感器選用鉑熱電阻作為溫度敏感元件。金屬鉑的溫度變化關(guān)系非常穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最佳材料。高精度的鉑電阻溫度傳感器，響應(yīng)時間不大于1 s[3]。鉑熱電阻的主要優(yōu)點有：

1）在測溫范圍內(nèi)，化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，測溫準確；

2）具有良好的輸出特性，在測溫范圍內(nèi)電阻與溫度之間線性關(guān)系好；

3）具有較高的電阻率，體積和質(zhì)量??；

4）具有良好的可加工性，價格便宜。

鉑電阻值與溫度之間的關(guān)系可近似表示如下：

式中，Rt是溫度為t℃時的電阻值，R0是溫度為0 ℃時的電阻值，A、B、C 為常數(shù)。

3.3 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于傳感器溫度測量范圍為-55～+200 ℃，選用的電子元器件工作溫度范圍為-55～+125 ℃，因此，對傳感器的敏感元件部分和調(diào)理電路部分進行分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，以能夠測量到200 ℃的高溫介質(zhì)參數(shù)。傳感器的壓力接口及電氣接口采用典型標準連接。傳感器外形如圖2 所示，傳感器結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。

圖2 傳感器外形尺寸（單位mm）

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)剖面

3.4 傳感器信號調(diào)理設(shè)計

在信號調(diào)理電路中對兩種敏感元件的信號進行調(diào)整及線性處理，并利用溫度敏感元件的實時溫度信號對壓力敏感元件的溫漂誤差進行補償，通過融合處理，以有效提高傳感器的測量精度和環(huán)境適應(yīng)能力，使傳感器的輸出特性具備較好的一致性和互換性。溫度信號處理電路、壓力信號處理電路是這次設(shè)計最關(guān)鍵的電路，需要信息采集快速準確，傳遞處理效率高[5]。

3.4.1 溫度敏感元件電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

由溫度敏感元件感應(yīng)被測介質(zhì)溫度，并將信號送到調(diào)理電路，通過XTR105 使溫度敏感元件的輸出轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的直流信號[6]，變化的電流值通過采樣電阻RL轉(zhuǎn)化成電壓值，將電壓信號送入微處理器MSC1211 進行數(shù)據(jù)處理[7]。其電路設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 溫度敏感元件電壓轉(zhuǎn)換電路

XTR105 是一種自帶傳感器激勵源和內(nèi)置線性化電路的變送器芯片，直接與鉑電阻相連構(gòu)成溫度傳感器/變送器電路[8]。芯片本身具有增益可調(diào)功能，可以省略外部的運放，此外還具有低溫漂、低噪聲、高共模抑制比的特點，其工作電源為7.5～36 VDC。

3.4.2 溫度、壓力信號調(diào)理電路設(shè)計

壓力敏感元件及溫度敏感元件的輸出信號在一階濾波后送到MSC1211 的A/D 轉(zhuǎn)換通道。微處理器MSC1211 對壓力、溫度信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)插值法對信號進行溫漂校準，換算出當前壓力、溫度值，并通過D/A 轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的0.5～4.5 VDC 標準電壓信號。

MSC1211 是TI 公司的高集成度混合信號微處理器，片上集成了八路差分輸入通道和單通道24 位高精度Σ-ΔA/D 轉(zhuǎn)換器（其內(nèi)部包括輸入緩沖器、可編程增益放大器、調(diào)制器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理及信號校準電路）[9]。芯片自帶2.5 V 高精度基準電壓（精度為0.2%，漂移為5 ppm，可選為A/D 轉(zhuǎn)換的基準電壓），4 通道16 位DAC、改進的8051 內(nèi)核、32 kB 的FLASH 閃速存儲器以及1.2 kB 的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器，還有豐富的外設(shè)資源，尤其適合溫度、壓力等緩變信號的采集和處理。綜上所述，通過采用高精度、低功耗的微處理器MSC1211 對傳感器進行溫漂補償和誤差校準，實現(xiàn)了傳感器的高集成度、高精確度、小型化和智能化。

3.4.3 傳感器濾波輸出設(shè)計

由運算放大器和電阻、電容構(gòu)成的有源濾波器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、可提供一定增益、截止頻率可調(diào)等特點，在通信、信號處理、儀器儀表和自動控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[10-11]。

為提高電路輸出信噪比，在調(diào)理電路最后一級設(shè)有濾波輸出電路，如圖6 所示，通過RC 濾波網(wǎng)絡(luò)和運算放大器TLV2252AIDR 構(gòu)建二階有源低通濾波器，對信號進行濾波輸出。

圖6 傳感器濾波輸出電路

圖5 溫度、壓力信號調(diào)理電路

3.5 傳感器電源電路及電磁兼容設(shè)計

電源電路將27 VDC電壓調(diào)整為15 VDC及5 VDC，供其他元件使用。對于電子系統(tǒng)常見的電磁干擾，如電壓暫降、短時中斷和電壓變化等，可通過LC濾波、瞬態(tài)干擾抑制、去耦、電磁屏蔽等設(shè)計來解決[12]。在電源輸入端通過電感器、電容器對電路工作中產(chǎn)生的共模干擾、差模干擾進行濾除[13]。采用瞬態(tài)抑制器將高電壓能量瞬間轉(zhuǎn)移，使大電流離開被保護電路[14]。調(diào)理電路的外殼選用良性導(dǎo)體材料，在外殼連接處采用導(dǎo)電橡膠條進行密封處理，保證整體電磁屏蔽特性[15]。

傳感器的壓力敏感元件采用恒壓源激勵的方式，在對電橋加激勵電源時，電橋輸出不平衡差分電壓信號，電橋的輸出電壓與施加的壓力成正比。激勵電源的穩(wěn)定性直接影響電橋輸出的總精度。在激勵源設(shè)計時，采用具有高精度、高穩(wěn)定性的REF5050AIDR 作為電壓基準[16]。

4 試驗驗證

在傳感器量程范圍內(nèi)選取7 個點進行正反行程測試，測試數(shù)據(jù)及計算精度見表1、表2。由試驗結(jié)果看出，壓力參數(shù)測試精度為0.05%FS，溫度參數(shù)測試精度為0.04%FS，均滿足小于或等于0.3%FS 的指標要求。

表1 傳感器壓力參數(shù)測試數(shù)據(jù)

表2 傳感器溫度參數(shù)測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

在機載測試及飛行試驗領(lǐng)域，需要進行大量的壓力、溫度參數(shù)檢測，除軍事和航空領(lǐng)域外，壓力及溫度檢測在工業(yè)和控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。復(fù)合式傳感器在多種領(lǐng)域的實時在線測量中顯示出了極大的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

該文提出了一種溫壓復(fù)合式傳感器的設(shè)計方法。該傳感器可以測量寬溫區(qū)流體介質(zhì)的壓力、溫度參數(shù)，量程及輸出可按需定制，工作溫度范圍滿足航空測試環(huán)境要求，具有良好的維修性、保障性、安全性。傳感器具有精度高、環(huán)境適應(yīng)性好等特點，符合多功能化、集成化的發(fā)展趨勢。