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          擴散硅壓力變送器的精密溫度補償

          發布時間:2020-11-24     瀏覽次數:
          1引言
                 由于擴散硅壓力變送器采用了硅彈性材料、半導體工藝和微機械加工技術,它體積小(芯片2X2mm)、成本低、精度高、穩定性好,且能以OEM方式提供給整機廠進行二次開發,所以得到了迅速普及。擴散硅壓力傳感器通過擴散電阻的壓阻效應感應壓力變化,從根本.上受溫度影響比較大,限制了它在寬溫區的高精度。
          2擴散硅壓力傳感器的溫度補償方法
                 擴散硅壓力傳感器的溫度補償一般分內補償和外補償。內補償通過傳感器的設計、制造工藝,封裝材料、形式來減小零點和滿量程的溫度系數,特別是通過控制擴散阻條的摻雜濃度,使傳感器的滿量程溫度系數控制在0.75%FS/全溫區,在一般應用中做到滿量程免補償。由于內補償有局限性,所以必須進行外補償。外補償的形式多樣,有通過固定電阻網絡的兩點式補償(零點和滿量程的溫度系數為0.75%FS/70℃,0~70℃;通過熱敏電阻網絡的三點式補償(零點和滿量程的溫度系數為0.5%FS/55℃,-30~+80℃;通過單片機的智能多點補償(智能壓力變送器)等。近年來,集信號處理、溫度補償于--體的壓阻式傳感器專用信號調理芯片(SSC)以其高集成、多功能,大大提高了擴散硅壓力傳感器的性能價格比。這類芯片的溫度補償方法與單片機的智能多點補償類似,通過溫度傳感器檢測環境溫度,溫度值經A/D轉換作為地址指針,儲存在存貯器中此地址的零點和滿量程的溫度修正系數經D/A轉換成模擬量,修正傳感器輸出信號中零點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(SCA2095)的。溫度傳感器有的集成在片內,有的外接,還有的利用擴散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來感應溫度。
          3MAX1457的組成及補償原理
                 MAX1457是這種專用芯片中比較典型的1個,它包括1個傳感器激勵電流源;1個3位可編程增益放大器;5個16位D/A轉換器;1個12位帶可編程數字增益和數字偏置調整的A/D轉換器和1個通用運算放大器。
                 MAX1457利用擴散硅壓力傳感器橋路電阻的溫度敏感性來感應溫度,不僅可以補償傳感器零點和滿量程的溫度系數的一階誤差(相當于兩點補償),還可以通過查表法補償零點和滿量程的溫度系數的高階誤差。EPROM中零點和滿量程的溫度系數存貯數量各為120個(240字節),如果溫度分辨率足夠的話,對于從-40~+125℃,可以每隔1.4℃插一點。一般擴散硅壓力傳感器零點和滿量程的溫度系數為0.01%FS/℃,故理論.上傳感器溫度誤差可以補償到0.014%FS/℃(-40~+125℃).
                 MAX1457零點溫度補償如圖1所示,它是將存貯在E2PROM中的零點溫度漂移值經D/A轉換為模擬量OTCDAC后,經A1放大,再通過求和電路與經過PGA放大的傳感器信號相加減,達到補償零點溫度誤差的效果。

                 MAX1457滿量程溫度補償采用與兩點補償和三點補償同樣的,原理,改變傳感器的供電電流。對于恒流激勵模式,擴散硅傳感器的輸出如下式:

                 滿量程溫度系數為靈敏度溫度系數與橋路電阻溫度系數之和,由于制造工藝原因,滿量程溫度系數很難控制為零,通??刂茷檎龜?再通過改變傳感器供電電流Ib的溫度系數,進一步補償。如圖2所示,MAX1457將存貯在E2PROM中的滿量程溫度漂移值轉換為模擬量FSOTCOUT,改變鏡像電流源I,進而改變擴散硅傳感器供電電流I6,將滿量程溫度誤差修正到要求值。

          4全溫區高精度(0.1級)壓力變送器的研制
                 MAX1457的功耗很低,電源電流最大為2.6mA,可以用于二線制,4~20mA信號輸出的全溫區高精度壓力變送器中。應用MAX1457研制的壓力變送器組成如圖3所示。由于是全溫區(-30~+80℃)壓力變送器,所以要考慮MAXI457供電電源的溫度系數。MAXI457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過V/I變換,轉為電流信號輸出0~16mA,此電流與電源電流4mA疊加成兩線制4~20mA輸出。電源電流由各個元器件的耗電電流決定,各個元器件的耗電電流在不同溫度下的變化將影響傳感器的零點輸出電流,雖然這個變化量可通過MAXI457補償,但是卻增加了對傳感器零點溫度系數的要求。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℃時為3.36mA,25℃時為2.87mA,80℃時為2.67mA.其變化量相當于4.5%FS,通過在電路中采用零溫度系數恒流源提供電路電源電流來消除這個影響。
          壓力變送器組成框圖
                 通過MAX1457補償傳感器零點、量程溫度系數,一般要求傳感器零點溫度系數不大于1.5倍靈敏度溫度系數(TCS),傳感器量程溫度系數應為正。傳感器量程溫度系數為負時,應在傳感器供電電流部分加二極管校正;傳感器零點失調過大超出MAX1457補償范圍時,可在傳感器橋路中串電阻進行修正。
                 用MAX1457進行溫度補償,首先要進行--階線性補償,然后再進行高階矢量插值補償。對于-30~+80℃溫度補償,一階線性補償通常選-35℃、+85℃.高階矢量插值通常從低溫-35℃開始,且要注意地址數字增益要合適,以防插值到高溫時,超出存貯器存貯范圍,前功盡棄。
                 用MAXI457研制高精度壓力變送器,在線路板布線時要防止引入干擾。
                 用MAX1457研制的高精度壓力變送器在全溫區的補償結果如表1所示。由表1可知,補償后,在-30~+80℃溫度范圍內,壓力變送器零點和滿量程的溫度誤差在0.1%FS之內。在低溫區,因為傳感器零點和滿量程溫度誤差在低溫區非線性較大,所以插值較密。

          5結論.
                 使用MAX1457精密補償的全溫區高精度壓力變送器已定型生產。這種變送器由于在模擬域對傳感器補償,克服了通過單片機智能補償帶來的量化噪聲和低頻響,響應時間可達1ms.
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