采用電橋構(gòu)成測(cè)量差壓的傳感器電路,是一種具有較高靈敏度的測(cè)量方法。擴(kuò)散硅變送器主要就是電阻有源惠斯登全電橋壓力測(cè)量電路。 它能在達(dá)到較高精度和穩(wěn)定性的前提下,使變送器具有較強(qiáng)的實(shí)用性,如零點(diǎn)/量程的調(diào)整和遷移方便快速。但是,一些文獻(xiàn)對(duì)擴(kuò)散硅電橋傳感器的介紹過(guò)于簡(jiǎn)單,僅限于定性分析。本文將定量分析擴(kuò)散硅傳感器測(cè)量電路中采用的零點(diǎn)/量程調(diào)整、輸出信號(hào)的反饋穩(wěn)定等技術(shù)措施。
1 傳感器電橋工作原理
傳感器測(cè)量電路如圖1所示。無(wú)差壓時(shí),電橋兩臂電流相等。差壓信號(hào)加到四個(gè)硅壓敏電阻上,壓敏電阻的阻值隨差壓而變化,引起電橋不平衡。電橋輸出電壓饋入放大器A1。A1的輸出電壓通過(guò)晶體管Q8改變輸出電流I0的大小。I0流過(guò)電橋的電阻反饋網(wǎng)絡(luò),使電橋恢復(fù)平衡。這樣,電橋輸出電壓的變化與差壓變化成對(duì)應(yīng)比例關(guān)系。從而將差壓的變化直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
2 定量分析和計(jì)算
2.1 測(cè)量電路和量程調(diào)整
圖2是包括零點(diǎn)及量程調(diào)整電路、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和差壓傳感電橋的測(cè)量電路。恒流源I0表示輸出電流。四個(gè)橋臂電阻是R1S、R3S、R4S和R6S。當(dāng)被測(cè)的正壓力增加時(shí),R1S和R6S阻值減小,R3S和R4S阻值增加,電橋的輸出信號(hào)VBr負(fù)向增加。這個(gè)VBr對(duì)應(yīng)于被測(cè)壓力變化值的電壓偏差信號(hào)。經(jīng)過(guò)測(cè)量電路中負(fù)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的作用,VBr信號(hào)將保持非常接近于零。
基本反饋電壓公式是
Vfb=V1-V2=IO1[aR2+R1]
對(duì)應(yīng)于傳感器的量程上限壓力,壓敏電阻和電橋給出最大變化和最大不平衡。此時(shí),為了保持VBr接近于零,需要最大的反饋電壓值。當(dāng)式(1)中a=1,IO2=0時(shí),Vfb值最大,傳感器得到最大的測(cè)量范圍。量程粗調(diào)螺釘處于A位而R2滑動(dòng)頭處于最下部時(shí),就滿足以上要求。而當(dāng)a=0,IO2最大時(shí),測(cè)量范圍最窄,這種情況是三顆粗調(diào)螺釘同時(shí)處于B、C、D位置,而R2滑動(dòng)頭又處于最上部。通過(guò)R2滑動(dòng)頭和粗調(diào)螺釘其他位置的組合,可獲得中間的測(cè)量范圍。R2有充分的調(diào)節(jié)范圍,以便在由量程調(diào)整粗調(diào)螺釘對(duì)應(yīng)不同的粗調(diào)范圍之間提供重疊。
電橋輸出處得到反饋電壓Vfb的分量為
2.2 零點(diǎn)調(diào)整和遷移電路
圖3是基本電橋電路加上遷移±100%的電路。電橋兩側(cè)中間各插入一個(gè)1000Ω的電阻串。這串電阻有六個(gè)電壓輸出點(diǎn)以提供所需的零點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍。即:
VBr=Vpress.signal-Vfb+Vsp (2)
由于Vfb近似等于零,于是有
式中,a由調(diào)零電位器R11上滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置決定。從公式(4)可以看到,調(diào)零電位器和螺釘?shù)牟煌恢脤?duì)應(yīng)于不同的Vsp,這就是輸出零點(diǎn)能夠被調(diào)整的原因。調(diào)零電位器處于上端時(shí),a=1,Vsp最大。螺釘提供零位粗調(diào),調(diào)零電位器提供零位細(xì)調(diào)。
作者:
蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院(江蘇蘇州 215000) 施教芳
徐州師范大學(xué)工學(xué)院電氣系(江蘇徐州 221001) 陳傳虎
蘇州科技學(xué)院電子系 (江蘇蘇州 215000) 王 儉