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高溫壓力傳感器

高溫壓力傳感器的高低溫補償電路說明


發布日期:[2018-09-05]    作者:昊明壓力傳感器


  高溫壓力傳感器的主要局限是工作溫度輸出電壓的變化,這嚴重降低了其測量精度。本文提出了一種無源電阻溫度補償技術,利用微分方程計算其參數。不同于傳統的經驗算法,微分方程是獨立的微機電壓力傳感器壓敏電阻的制作過程中或在熱膨脹系數失配引起的殘余應力之間的參數偏差。微分方程的使用從無償高溫壓阻式壓力傳感器的校準數據解決。進行校準的設備在不同溫度和壓力下的試驗表明,無源電阻溫度補償產生顯著的影響。此外,高溫信號調理電路用于提高傳感器的輸出靈敏度,可以通過溫度補償減少。相比傳統的經驗算法,該無源電阻溫度補償技術具有溫漂小,預計將適用于在惡劣環境下的大的溫度變化,壓力測量。


1.說明

近年來,普遍高溫壓力傳感器已廣泛應用于石油化工、能源電力、航空航天。因此,提高測量精度是可能在各個行業中發揮著越來越重要的作用,尤其是那些遇到高溫環境。目前的應用中,傳感器將提供一致的性能,在這種情況下,高達220°C.溫度升高下精度然而,在傳感器的輸出電壓連續漂移是必然的,因為壓力與溫度的增加而增加,而壓阻系數減小,而影響測試精度。因此,它是實現高溫壓阻式壓力傳感器溫度補償的關鍵有效。主要的測量原理,通過高溫壓阻式壓力傳感器采用惠斯登電橋。一個惠斯通電橋的輸出電壓必須在偏置電壓的偏移補償,溫度系數和靈敏度溫度系數。目前橋梁的溫度補償方法可分為硬件,軟件,或混合技術。硬件方法通常使用一個額外的熱敏電阻,一個低溫度系數電阻網絡、二極管、三極管、可調增益運算放大器,等等。該軟件的方法是基于數據處理根據反函數的算法和人工神經網絡?;旌蟿恿夹g相結合的硬件和軟件來獲得更高的補償精度的方法。與其他技術相比,硬件補償更簡單、更高效、更經濟、更容易實現工業生產和制造;因此,硬件補償廣泛應用。在這項研究中,我們描述了一種無源電阻的溫度補償技術,采用低溫度系數電阻網絡。不像其他的硬件方法,這就要求補償電路在相同的溫度場為橋臂電阻壓敏電阻,我們被動溫度補償電路不需要在橋臂的壓敏電阻的工作溫度,使包裝更靈活方便。此外,該方法的補償精度是獨立的補償電路和橋臂壓敏電阻之間的溫度差。一個典型的低溫度系數電阻網絡模型電路圖所示圖1

低溫度壓力傳感器補償電路


                                       圖1在一個低溫度系數電阻網絡典型的補償電路。



傳統的理論補償公式的失調電壓和失調溫度系數給出了方程(1)和(2),分別;靈敏度的溫度系數的補償公式給出了方程(3)。
RS=KRB
(1)
RP二=(一 K)(一 K?????√ 一)KRB≈二RBK,K=四v操作系統vB
(2)
RP一=?aaTCRBRB
(3)
其中RB是橋臂電阻,TCRB是R的溫度系數B、V操作系統是橋的輸出電壓為零,和α是輸出電壓靈敏度溫度系數,這些方程假設四橋臂電阻及其溫度系數具有幾乎相同的初始值,而忽略了由制造過程中引起的殘余應力的影響。否則,補償用于偏移和靈敏度溫度系數是無效的。相反,無源電阻溫度補償算法,提出了在下一節中使用的實際測量數據,并且是獨立的殘余應力和殘余偏差在橋梁參數。這一結果在較高的補償精度和廣泛的適用性。

2。無源電阻溫度補償原理

無源電阻溫度補償是基于假設的被動性與溫度無關。這意味著,被動的電阻溫度系數應小于該橋臂電阻10%。在這種情況下,被動的電阻溫度系數可以忽略。作為一個典型的硅壓敏電阻的溫度系數大于2000 ppm [九],被動的電阻溫度系數應小于200 ppm。

2.1。偏置電壓和偏置溫度系數補償

該橋臂電阻的溫度T可以表示為:
RT=R零【一 aR(T?T零)]
(4)
溫度系數的表達式αR給出了:
aR=RT?R零R零×一T?T零
(五)
補償可以通過橋臂電阻的溫度系數修正完成。這可以通過使用簡單的電路技術與無源并聯或串聯電阻元件的電阻與溫度無關。
圖2闡述了電阻G系列配置,具有近零電阻溫度系數。G和R的溫度系數TαR G,如方程(6)。方程的比較(5)和(6)表明,αR G小于αR。這意味著一系列補償電阻橋臂電阻的溫度系數是小于的橋臂電阻本身。
aR G=(RT G)?(R零 G)R零 G×一T?T零=RT?R零R零 G×一T?T零
(6)



                                         圖2對于橋梁偏移輸出電壓補償串行連接。



圖3顯示并聯電阻的總電阻的溫度系數G G和R的位置Tαr‖g,如方程(7)。與方程的比較(5)表明,αr‖g小于αR,這意味著一個補償電阻是小于的橋臂并聯電阻本身的橋臂電阻的溫度系數。
aR∥G=RT∥G?R零∥GR零∥G×一T?T零=GR零 G(RT?R零R零×一T?T零)=一RTG 一×aB
(七)
在符號“‖”表示兩個電阻連接在一個平行的關系。


                                      圖三對于橋梁偏移輸出電壓補償并聯。



從以上分析,我們可以推斷,增加或減少串聯補償電阻并聯補償電阻可以減少與補償電阻橋臂電阻的溫度系數和調整偏移。這是對失調電壓和偏置溫度系數補償原則。


2.2。的靈敏度溫度系數補償

靈敏度溫度系數可以補償使用串行溫度獨立電阻RS一個恒定電壓下,如圖4一、與溫度無關的電阻R并聯P恒流電源,如圖所示圖4B.


                                 圖4電橋靈敏度的補償



為例說明圖4一、電橋的輸出電壓是由方程(8),其中V進入是電源電壓,RB(T)相當于橋臂電阻,S(t)是敏感的,和P是負載壓力。隨著溫度的升高,RB(T)和S(t)減少增加。顯然,其靈敏度溫度漂移可以通過選擇合適的r值補償S根據方程(8)
v出=v進入(RB(T)RB(T) RS)×S(T)×P
(8)
一個簡單的定性解釋如何補償電阻RS作品是,隨著溫度的升高,電橋的電阻RB(T)的增加,而電阻RS是一個接近零溫度系數幾乎不變。這導致在橋和橋輸出電壓增加電源電壓的比例增加。的電阻RS是這樣選擇的,在橋的敏感性下降,隨著溫度的升高,可以通過溫度補償電橋的輸出電壓的增加。類似的解釋可以應用于一個恒流電源的情況下,如圖4B.

三.無源電阻溫度補償模型和算法

我們的無源電阻溫度補償模型是基于上述原則。作為一個簡單的電源電路最適合于高溫應用,通過高溫壓力傳感器通常采用恒壓電源。下面的描述與一個恒定電壓無源電阻溫度補償模型和算法。圖5說明模型

圖5無源電阻溫度補償模型與一個恒定電壓:(一初始負偏置電壓;()B)正初始偏移電壓
傳感器的輸出電壓:
v出(T,P)=vB(T,P)×【K (T,P)?K_(T,P)]
(9)
其中K (T,P)和K—(T,P)是積極和消極的分壓的因素,分別和VB(T,P)是橋的供電電壓,可寫成:
vB(T,P)=v進入×RB(T,P)RB(T,P) RS


表1為補償模型參數的測量。

補償模型圖5一個可以分析如下:
電橋電阻:
RB(T,P)=【R二(T,P) R三(T,P)]【RZ R四(T,P) R一(T,P)∥RP]
(11)
分壓的因素:
K (T,P)=RZ R四(T,P)RZ R四(T,P) R一(T,P)∥RP
(12)
K_(T,P)=R3(T,P)R2(T,P)+R3(T,P)
(13)
輸出電壓表達式模型圖5一個可以用方程(10)–(13)代入方程(9)。輸出電壓表達式模型圖5B可以以類似的方式。這給了:
VOUT(T,P)=VIN×[R2(T,P)+R3(T,P)]∥[RZ+R4(T,P)+R1(T,P)∥Rp][R2(T,P)+R3(T,P)]∥[RZ+R4(T,P)+R1(T,P)∥Rp]+RS×[RZR3(T,P)RZR4(T,P)+R1(T,P)∥Rp?R3(T,P)R2(T,P)+R3(T,P)]
(14)
其中RZ,RP,RS該模型的參數是確定的,和RI(T, P) (i = 1, 2, 3, 4) are the known measurement parameter values in表1
根據橋的溫度補償的要求,無源電阻溫度補償算法可以寫為:
?????????TOUT(T0,P0)=U0?Compensation of offset voltage U0?VOUT(V,P0)?T=0?Compensation of temperature coefficient of offset?VOUT(V,P1)?T=0?Compensation of temperature coefficient of sensitivity
(15)
它可以從這些方程看出補償偏置溫度系數(靈敏度)要求傳感器輸出電壓下的初(高)負載壓力P零(P一)是獨立的溫度。這意味著V的偏導數出(T,P零)和V出(T,P一)相對于溫度必須等于零。

R值Z,RP,RS在無源電阻溫度補償模型可以由方程(15)利用計算機軟件如MATLAB 


4。實驗及數據處理

圖6一個顯示補償高溫壓力傳感器基于絕緣體上硅(SOI)材料,可以在220°標準的微機電系統的溫度范圍內長時間工作(MEMS)過程中圖6B是用于制造壓敏芯片。


圖6研制的高溫壓力傳感器及其制作過程:(一高溫壓力傳感器;()B微機電系統(MEMS)的制造過程。



未補償的高溫壓力傳感器可以用高溫和壓力校準裝置顯示在測試圖7。該傳感器是在20–220°C和百–2000 kPa范圍校準。



             圖7高的溫度和壓力校準裝置的研制。



測試結果顯示在圖8。由于MEMS壓力傳感器壓阻的制作過程中或在熱膨脹系數失配引起的殘余應力之間的參數偏差,傳感器的初始偏移電壓是負的,隨著溫度的增加,輸出電壓明顯降低,如圖所示圖8A.熱零點漂移和熱靈敏度漂移所示圖8B,C的工作溫度范圍,總精度±18% FS(全尺寸),最大熱零點漂移是?11% FS,和最大的熱靈敏度漂移是?25%.。未補償的高溫壓力傳感器具有顯著的參數漂移在整個工作溫度范圍內,這大大影響測量精度。

圖8為補償高溫壓力傳感器測試結果:(一)在溫度和壓力環境下輸出電壓校準曲線;(B熱零點漂移;()C)熱靈敏度漂移
傳統的溫度補償模型和經驗算法所示圖1與方程(一)–(三)是用來補償輸出電壓的溫度。為補償傳感器的測試結果顯示在圖9。在工作溫度范圍內,可以看出,總精度±12 FS,最大熱零點漂移是8的FS,和最大的熱靈敏度漂移是?20 %。因此,傳統的溫度補償效果較差。

圖9為補償高溫壓力傳感器與傳統的溫度補償模型和經驗算法的測試結果:(一)在溫度和壓力環境下輸出電壓校準曲線;(B熱零點漂移;()C)熱靈敏度漂移
無源電阻溫度補償模型和微分方程中推導出在20°C和220°C和負載壓力200kPa和600 kPa溫度閾值的橋臂電阻。結果列在表2。有明確的大的差異,最初的四橋臂電阻之間的電阻,和一些變化與負載壓力和溫度系數由于過程變量(如光刻)或由制造過程中引起的殘余應力。
表2橋臂電阻不同環境條件下的試驗結果。

由于初始負偏移的輸出電壓,如補償電路模型圖5應該用。無源電阻溫度補償公式所示的算法(15)可以通過檢查圖在解決圖10從試驗數據,采用Matlab中的構建表2(設置偏置輸出電壓U零= 4 mV).



                         圖10通過繪制的參數空間中的解方程。



在圖10紅面,根據方程(15)的第一個方程得出,代表偏移電壓U的補償零;綠色面是根據方程的二方程,得出(15),代表量的溫度系數的補償;藍色表是根據第三個方程得出(15),表示靈敏度的溫度系數補償。
參數值均在以下補償電阻范圍不同:
RZ∈[0, 200 Ω],RP∈[1 kΩ,1000 kΩ],RS∈[1 KΩ,30 kΩ]
由此,我們得到的最小補償電阻參數:
RZ=100 Ω,RP=180 kΩ,RS=22 kΩ
無源電阻溫度補償電路通過數據建立表2。由此產生的電路顯示在圖11



                    圖11無源電阻溫度補償電路使用數據表2



無源電阻溫度補償的傳感器測試結果顯示在圖12。在工作溫度范圍內,總精度±1.5% FS,最大熱零點漂移為1.8% fs,和最大的熱靈敏度漂移是?4.6%。
高溫壓力傳感器溫度補償結果
圖12為補償高溫壓力傳感器的無源電阻溫度補償模型和經驗算法的測試結果:(一)在溫度和壓力環境下輸出電壓校準曲線;(B熱零點漂移;()C)熱靈敏度漂移
從上面的結果,它是明確的,未補償傳感器的標定曲線(圖8)顯示的溫度范圍內變化明顯。傳感器的校準曲線,用傳統的方法補償具有改進的總精度的溫度范圍內(圖9)。然而,傳感器校準曲線所提出的無源電阻溫度補償(圖12)清楚地顯示出最好的精度,在整個溫度范圍內。很明顯,無源電阻溫度補償比傳統的溫度補償更有效,因為它導致更高的測量精度,在實驗溫度范圍內。
這種補償方法的一個限制是對輸出靈敏度的影響。通過比較可以看出圖8和圖12,輸出靈敏度下降70左右,根據所提出的方法。為了改善這個問題,我們可以用高溫信號調理電路來提高傳感器的輸出靈敏度,如圖所示圖13。該電路的主要功能是放大傳感器輸出的電壓信號從幾十毫伏到0–5 V。
高溫壓力傳感器原理
                  圖13一種高溫信號調理電路原理圖。
進入圖13、V進入和V進入-橋的輸出電壓,V裁判是輸出零參考電壓的電路,和R5(增益調整電阻)決定了高溫信號調理電路的輸出電壓,它可以表示為:
VOUT=5.1×(1+20KR5)×(Vin+?Vin?)+Vref
(16)
對于高溫壓阻式壓力傳感器的溫度補償和無源電阻高溫信號調理電路的測試結果顯示在圖14,并與相應的xte-190傳感器性能比較(由Kulite)上市表3
壓力傳感器標定測試
圖14壓力傳感器的標定試驗結果。
表3類似的傳感器參數的性能比較。

從這些試驗結果可以看出,未補償的高溫壓力傳感器受到參數漂移在整個工作溫度范圍內的一個顯著的程度,但與無源電阻溫度補償和高溫信號調理電路的傳感器可以實現精度和溫度漂移水平相近的xte-190。
此外,為了充分驗證無源電阻溫度補償的效果,六個傳感器的同一批已經用同樣的方法完成了溫度補償校準測試和補償效果達到同一水平。圖片所示的傳感器裝置圖15


壓力傳感器溫度補償


5。結論

在本文中,我們提出了高溫壓阻式壓力傳感器的無源電阻溫度補償的廣泛適用的方法。該方法使用了一個基于微分方程的求解算法。我們的無源電阻溫度補償技術是不會受到影響的特性偏差之間的橋臂電阻或殘余應力。在不同的溫度和不同的負載壓力閾值僅用四橋臂電阻的測量、溫度補償電路及補償參數可確定的計算。此外,高溫信號調節電路可以用來提高補償傳感器的輸出靈敏度。被動的電阻溫度補償在高溫壓力傳感器的補償作用被證明是明顯優于在很寬的溫度和壓力范圍內傳統的補償技術,這表明我們的方法是值得推廣的傳感器制作中的應用。




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