低阻压阻压力变送器的设计及性能测试

摘要:采用AD公司的AD693数字信号调理芯片,设计了一款低阻压阻压力变送器,给出了详细的应.用电路设计方案,并且进行了相应的静态测试.测试数据表明,该变送器在20℃~60℃范围内具有优良的静态性能,以及非常理想的时漂,稳定性优于0.1%.
0前言
　　扩散硅压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的,具有体积小、成本低、精度高、稳定性好的特点,在生产实践中得到了广泛的应用1,2].扩散电阻的温度系数因扩散表面杂质浓度不同导致薄层电阻大小各异而不一样.但工艺上难于做到4个P型桥臂电阻的温.度系数完全相同,则不可避免地产生“温度变化时,并无外力作用仍有电阻值的变化.所采用的低阻压阻压力传感器,制作时采用了提高表面掺杂浓度的特殊工艺,减小了硅片的薄层电阻,从而降低了电阻的温度系数,具有更好的温度稳定性.
　　结合低阻压阻压力传感器的特点,提出低阻压阻压力变送器的电路设计方案,并给出相关的性能测试数据.
1数字信号调理芯片的选择
　　针对低阻压阻压力传感器的低阻特性,需要为变送器选择合适的数字信号调理芯片.主要从以下3个方面考虑:
(1)变送器所要求的信号传输方式是4mA~20mA,所以在芯片选择上优先考虑环流变送芯片[4].
(2)压阻压力传感器可以采用恒压源供电,也可以采用恒流源供电,但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度难以消除的问题[5].而恒流源供电,电桥输出仅与电流的大小和精度有关,不受温度的影响.
因此优先选择恒流源供电方式.
(3)由于激励对象是低阻电桥,电桥桥压很小,所选芯片需要能够对小信号进行放大.
　　模拟器件公司(ADI)开发的AD693芯片,能够很好地满足以上需要.AD693是4mA~20mA两线制输出变送器功能模块电路,它是一个完整的单片低电压/电流变换的回路信号调节器,采用闭环电源工作,输出量程和零点单独可调,有3种输出范围(4mA~20mA、0mA~20mA、12±8mA)可供选择,能自己供给传感器工作电压也可以直接与压力传感器相连接.所以是一种比较理想的高集成度单片功能模块电路.
 
　　AD693的原理图及管脚,如图1所示,主要由4部分组成.其中,第1部分是检测电路信号放大器.第2部分是V/I转换部分,提供4mA~20mA环路电流,由第1部分的放大器进行驱动.第3部分提供一个基准电压,可用不同的电压来设置不同的“零位”电流.除这3个主要部分之外,还有一个芯片辅助放大器,这个放大器可用于激励变送器.
2应用电路设计
2.1电桥激励.
　　利用AD693的基准电压和辅助放大器,对电桥进行电流激励,如图2所示.图中,1(AUX)脚接限流电阻,配合2(AUX)脚的基准电压输入(由芯片分压网络提供),可以控制20脚恒流输出.此限流电阻与芯片内部100n电阻(5脚和6脚之间)配合使用.
 
2.2信号输入
　　电桥的信号输人,对应芯片的第17,18管脚,如图3所示.
　　信号经G,缓冲,再由A和G,构成的闭环放大.A的输出信号再送V/I转化.通常放大增益由内部的两个800Ω的电阻来决定.当输人信号为0~30mV时,放大2倍后输出为0~60mV,若信号比较大时,可以短路15.16脚,使得A和G,构成的闭环放大倍数为1.也可以配备电阻来调整增益的大小,以调节输人满度的校准(满度调节).
2.3V/I转换
　　由放大器A送人的信号SIN进入G2将其放大后的输出信号与G21的输出信号相比较,将差值送人高增益放大器A2放大后控制NPN晶体管,使其输出达到与G2输人相应的电流信号.V/I变换器的转换系数为0.2666A/V,所以当由16脚(正向)和12脚(反向)输人75mV信号时,将产生20mA的电流输出,如.图4所示.
2.4调零调满电路
　　由于传感器是低阻抗应变电桥,对其在2mA供电时,它的桥压是1.768V,在1MP压力下电桥满度输出24.5mA<30mA,笔者选择放大器增益2倍以达到一个60mV的信号去驱动V/I转换部分来达到满度20mA的输出(还有15mV的零位电压,叠加之后为75mV,正好驱动20mA满度电流).
　　最大测量电压小于30mV时,在P1(15脚)和6.2V(14脚)之间外加一个电阻Rg,使信号放大器的增益为2.当输人0~30mV信号时,通过V/I转换,输出4mA~20mA电流.外加电阻的阻值按下式计算:
 
　　传感器应变电桥在零位的时候输出不一-定是零,可以由一个滑动变阻器X502调节,使得零位达到4mA输出,从而也使得零位调节更加方便.
3总体电路
　　综上所述,由低阻电桥输人信号到AD693的17和18脚,通过调零和调满,配合C9013晶体管可以提高驱动能力,从而实现一个完整的小信号放大,输出标准4mA~20mA信号,整体原理电路图,如图6所示.
4变送器静态性能测试
　　将变送器接上工作电源(24V),测得变送器的温漂记录、线性记录和时漂记录,如表1~表3所示.
 
 
5结束语
　　介绍了扩散硅低阻压阻压力变送器的设计,详细地阐述了相应电路的设计方法;并进行了静态测试.测试结果表明,该变送器具有优良的静态性能,在20℃~60℃范围内可以达到较好的静态性能,具有非常理想的时漂,其稳定性优于0.1%.