溫度補償的方法

2022-05-31 06:00:03 字數 2364 閱讀 9700

1 電橋補償法:採用惠斯通電橋的板橋或全橋電路

優點:簡單,方便,在常溫下補償效果好.

缺點:在溫度變化梯度較大的條件下,很難做到工作片與補償片處於溫度完全一致的情況,因而影響補償效果

2 應變片的自補償法:

敏感柵絲由兩種不同溫係數或膨脹係數相反的金屬絲窗簾組成,當溫度變化時,產生的電阻變化或附加應變為零或相互抵消,這種應變片稱自補應變片。調整r1和r2的比例,使溫度變化時產生的相互抵消,通過調節兩種敏感珊的長度來控制應變片的溫度自補

由於半導體材料對溫度十分敏感,壓阻式壓力感測器的四個檢測電阻多接為惠斯登電橋型,其有恆流和恆壓兩種工作方式。假設半導體應變片電阻rt的溫度係數為α,靈敏度k的溫度係數為β,加在感測器上的電壓為vin,則電阻值、靈敏度隨溫度改變的表示式分別為:

rt=r0(1+αt1);kt=k0(1+βt)

2)則感測器輸出為[2]:vout =(△r/r0)vin = k0(1+βt)vin3)

式中,r0—基準溫度時感測器的電阻值(初始值r—壓力引起的電阻變化;

k0—基準溫度時靈敏度應變係數。

由此式知,壓力隨溫度的改變量和β的隨溫度的變化相同,具有較大負溫度係數,溫度係數為-0.002/℃~ -0.003/℃。

圖1給出了不同摻雜濃度下p型矽片的靈敏度係數隨溫度變化的曲線[3]。圖中,從a 到e 各條曲線對應的摻雜濃度遞增。由圖可知,p型應變電阻, 無論是輕摻雜還是重摻雜,其靈敏度係數均隨溫度的提高而逐漸減小。

由於各應變片阻值不可能匹配,且應變片的電阻溫度係數在0.3%/℃左右,會造成零點漂移電壓。

三、溫度補償原理與電路設計

1、零位溫漂補償

壓阻式壓力感測器的四個檢測電阻多接為惠斯登電橋形式,其原理如圖2(a)所示。由惠斯登電橋原理可知,零位輸出電壓為:

vout4)

則常溫下應使r2r4-r1r3=0[3],得零位輸出為0。當外界溫度為t時,電橋零位輸出變為:

vout5)

若r2tr4t-r1tr3t>0,則溫漂為正;若r2tr4t-r1tr3t<0,則溫漂為負。故調節零位漂移的關鍵是改變r2tr4t或 r1tr3t的大小。採用的方法是在r1上串聯電阻rm或者在r3上併聯電阻rn,分別如圖2(b) 、2(c)所示,則調節rm、rn阻值大小,可達到調節零位輸出的目的。

rm和rn的阻值可由下面的公式求得。

(1)求串聯電阻rm值

由電橋原理,則圖2(b)中的輸出電壓為:vout=u6)

因r1= r1+rm並令vout=0,代入(1)式,計算可得:

rm=r4 。

(2)求併聯電阻rn值理在圖2(c)中,

vout= u7)

因r3= ,且vout=0,根據(6)式可得:

rn= 。

2、靈敏度溫度補償

用整體電路溫補的方法來對靈敏度溫漂進行補償,設計電路如圖3所示。圖中,a1和a2構成差動放大器,將感測器的輸出電訊號轉變為差動電壓,然後由a4作為差動輸入單端輸出放大器,將電壓差訊號變為對地輸出的電訊號。因感測器的輸出電壓靈敏度漂移具有負溫度係數,則用電晶體基極-發射極間電壓vbe的負溫度特性來抵消它。

同時,在a4上的負反饋電阻上併聯正溫度係數的熱敏電阻rt,以達到用增益的正溫度特性更好的彌補電橋部分靈敏度負溫度特性的目的。

3、整體效能設計

由於在零位補償中,實際感測器的零位輸出vout一般不為0v,不符合r2r4=r1r3的假設,故需在圖3的處理電路的a4正相輸入端接入乙個補零位電阻,才可以將零位和溫漂一起補回來。調節vp3改變其阻值大小,使輸出電壓值經跟隨器a4輸入到a5的反向端,可以消除零點漂移的影響。因流經vp3的電流不恆定,所以轉換的電壓也很多情況下不恆定,因此必須接入整合運放器a3,以增強感測器效能的穩定性。

在本實驗的電路中,整合運放器採用高整合、阻抗高的lm324,並且差動電壓需滿足r7/r10=r8/r11,以保證該電路僅放大差動電壓。實驗中,電源電壓為15±10%vdc~20±10%vdc,電阻阻值的相對偏差≤0.6%,靈敏度溫度係數在0.

001/℃~-0.003/℃之間,差動放大器的增益在4倍~100倍之間,過壓為1.5倍滿程,工作溫度在-40℃~80℃之間。

四、實驗結果

本實驗隨機選取3個cyg19t型壓阻式壓力感測器,並分別記為a#、b#、c#進行溫度補償除錯。在不同的實驗溫度下,對a#、b#、c#零位和靈敏度的溫度係數分別作了記錄,結果資料如表1。為了補償計算和驗證補償的有效性,試驗應在全溫區內取5個以上的溫度點資料。

根據測試結果,通過上面公式,即可計算有關補償電路中各元件數值。

五、結論

實驗結果表明,筆者設計的新型電路可有效對壓阻式壓力感測器進行溫度補償,使cyg44型壓阻式壓力感測器在(-40~60)℃全溫區內的熱零點漂移與熱靈敏度漂移達到了優於±2×10-4的優化補償結果。並且,該方法簡單易行、精度高、調節方便,尤其適用於微型壓阻式壓力感測器的零位溫度補償,且易實現批量化生產,因此市場應用價值廣泛。

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