测控系统电子技术第十一章

第十一章测控电子技术应用11.1.1压阻式压力传感器的应用电路压阻感器是利用晶体的压阻效应制成的传感器，其构造是在硅弹性膜片上，用集成电路的扩散技术在一定晶向上制作四个压力敏感电阻，将它们连接成惠斯登电桥的形式,就构成了基本的压阻全桥传感器。11.1压力测量应用电路压阻式压力传感器受温度的影响表现在零点温度漂移和灵敏度温度漂移两个方面。在具体的应用电路当中，必须采取措施进行温度补偿。图11.1.1是压阻式压力传感器的典型应用电路，图中FPM-05PG为压阻式压力传感器，电路输出以大气压为基准，输出电压在1个标准大气压时为0mV，1mmHg时输出10mV。图11.1.1压阻式压力传感器的典型应用电路A1、D1、T1和R2构成恒流源电路对电路供电。D1的输出电压VD1加在R1上，恒流源电流I由VD1/R2决定，其值为I=1.5mA。传感器的温度特性包括由于温度变化使零位输出移动的零位温度特性，以及压力灵敏度随温度变化的灵敏度温度特性。FPM-05PG的灵敏度随温度变化非常小，故测量电路中仅设置了由D3和A2构成的零点温度补偿电路，其原理是利用硅二极管的负温度系数补偿传感器的正温度系数。实验表明，传感器FPM-05PG的零位温度特性为0.25mV/℃，故选用温度特性为-2.0～-2.5mV/℃的二极管作为温度补偿元件。A2输出经过调节RP1可获得具有正温度系数的电压，该电压加至输出运算放大器A4的同相输入端，传感器FPM-05PG的输出经AD620差动放大10倍后得到具有正温度系数的电压，该电压加至输出运算放大器A4的反相输入端，两个具有正温度系数的电压经输出级相减后输出。只要调节RP1即可使传感器FPM-05PG的零位温度特性被补偿。当传感器加上1.5mA恒定电流时，其输出约为0.17mV/1mmHg，为了使电路的输出电压与压力的关系为10mV/1mmHg，后续放大电路的增益应为60。该增益由运放A3和A4构成的两级差动放大电路实现。电路中RP2用于传感器在零压力时测量电路的输出调零，RP3用于调节电路的满度输出。11.1.2压力信号的长距离传输测量在许多工业应用领域中，传感器与记录或采集装置是分离的，其传输线可能长达几百米或几千米，此时若采用频率或电流的形式传输信号即可避免电压传输的缺点。1.压力的频率法测量将压力传感器的输出电压信号转换成频率信号是压力信号长距离传输测量的有效方法，图11.1.2为压力的频率法测量电路。图11.1.2压力的频率法测量电路压力传感器采用Motorola公司的MPX2100DP，压力测量范围是0～100kPa，输出满量程电压与电源电压成比例。当电源电压为16V时，其满量程输出电压为64mV，当电源电压为10V时，其满量程输出电压为40mV，则当电源电压为8V时，其满量程输出电压为32mV。电路分为压力信号放大器和V/f转换电路两部分，压力信号放大器由A1～A4四个运放电路构成。A1组成一个同相放大器，其增益为A2组成一个电压跟随器，起隔离作用，防止运放的反馈电流流入传感器的负端。A4是零压力偏置电路，使零压力时压力信号放大器有一电压输出。A3组成压力信号放大器的输出级，与A1相同为一同相放大器，其增益为67F31RRA43F11RRA压力信号放大器的总增益为当未给传感器施加压力时，传感器输出为零，此时调节RP1使A4获得0.5V的反相偏置输入电压，该偏置电压经两级反相放大后在压力信号放大器的输出端输出0.5V电压。该电压与经放大后的压力传感器的输出电压叠加成为压力信号放大器的实际输出。127)1)(1(6743FRRRRA由于传感器供电电源为8V，其满量程输出为32mV，因此在传感器的量程范围内，压力信号放大器的输出为0.5V～4.5V,该电压范围就是后续V/f转换器的输入电压范围。V/f转换器采用AD654集成V/f转换器，根据电路的连接方式及芯片的输出频率计算公式有28inout)2RP(10V)(CRVfR3和RP2的选择应使AD654的3端在满量程时有1mA的驱动电流。满量程时，3端的电压为4.5V，将R3+RP2调节为4.5kΩ,则3端的驱动电流即是1mA。根据电路的参数可计算出对应0.5V～4.5V的输入电压，其输出频率为1.111kHz～10kHz。电路中RP1用于调节零点,而RP2用于调节满度。2.4～20mA压力变送器将压力传感器输出的电压信号转换成4～20mA电流输出是工业领域中远距离测量压力的常用方法，将压力传感器与4～20mA转换电路集即构成4～20mA压力变送器。图11.1.3即是4～20mA压力变送器的典型电路。图11.1.34～20mA压力变送器电路电路中压力传感器是MPX2100，4～20mA转换电路采用集成芯片XTR101实现。电路中，4mA电流对应于零压力，20mA电流对应于满量程压力。XTR101的引脚10和11是两个1mA的参考恒流源输出，两个电流并行流入带温度补偿的稳压管LM129和压力传感器中，LM129的稳定电压是6.9V，该电压即作为压力传感器的供电电源。根据传感器的特性，在该电压下传感器的满量程输出电压为传感器的输出电压直接加至XTR101的输入端（引脚3和4），引脚5和6之间的电阻R1和电位器RP1用于确定并调节输出电流的满度值，输出电流Io由引脚7输出，其值为mV6.27V10mV40V9.6oFSVin1o)1RP40016.0(mA4VRI式中Vin为芯片的输入电压，也即传感器的输出电压。当传感器输出为零时，电路的输出电流为4mA，若有误差可调节电位器RP2消除。当传感器满量程输出时，Vin=27.6mV，调节电位器RP1使输出电流为20mA。XTR101要求两个1mA的参考恒流源的电流应流入引脚7，引脚3和引脚4的电位应大于引脚7的电位4V～6V，也即芯片的共模输入电压为4V～6V，由于传感器的共模电压为电源电压的一半即3.45V，为此串入一电阻R2，提高芯片的共模输入电压，使之满足要求。为降低芯片的功耗，在芯片的外部需要并联一晶体管T1，T1与芯片内部的晶体管并联，分流内部晶体管的电流，保证了芯片内部的热稳定性。二极管D1用于在引脚7和8之间的出现反极性电压时保护芯片不受损坏。在压力的测量端，接入负载电阻RL，电阻的数值可根据采样A/D转换器的输入要求确定，如要求输入的满量程电压为5V，则应取RL=250Ω，此时A/D转换器的输入电压范围是1V～5V。11.2.1热电偶测量温度的应用电路热电偶的输出热电势与温度存在关系，并以热电偶的分度表的形式给出，据此通过测量热电偶的输出热电势可测量温度。从电路设计的角度，要实现热电偶测温，必须解决两个关键问题。11.2温度测量应用电路（1）热电势与温度之间的关系是非线性的，测量电路应当具有非线性校正功能。（2）分度表中的热电势是以热电偶的冷端温度为0℃时测定的，一般冷端温度为环境温度，测得的热电势与分度表中的热电势不同，必须设置冷端补偿电路。由此，热电偶测量温度的电路由冷端补偿电路、放大电路和非线性校正电路三部分组成。1.非线性校正采用多项式线性化的方法，设温度为T，各项系数为a0,a1，…，an则热电偶的热电势E可表示为将被测温度T用等值的电压VT表示，这就是线性化电路的设计依据。nnTTTEaaaa2210nnTEEEVaaaa2210多项式幂次越高，精度越高,对应电路越复杂。实际取到2次幂即可满足足够的精度。K型热电偶在0℃～600℃范围内的热电势的近似表达式为为便于测量，将上式乘以10，得)mV(0347332.09952.24776.02ininoVVV)mV(347332.0952.24976.72ininoVVV将300℃的热电势12.207mV代入得Vo=2991.6mV(相当于299.2℃)，将600℃的热电势24.902mV代入得Vo=6001.2mV(相当于600.1℃)，由此可知，温度与输出电压为良好的线性关系。采用加法器和平方电路即可实现线性化电路。2.冷端补偿冷端补偿就是采用另外的温度传感器产生实际冷端温度对应的热电势，并将该电势与K型热电偶的热电势相加，作为热电偶的输出。由于冷端温度是变化的，因此需要产生的补偿电势应当是相当于K型热电偶温度系数的电压。实验表明，K型热电偶的温度系数近似线性为40.44μV/℃，所以补偿电路应能够产生数值为40.44μV/℃×冷端温度的补偿电压3.具有线性校正和冷端补偿的热电偶测温电路具有线性校正和冷端补偿的热电偶测量温度的实际电路见图11.2.1。为便于电路设计，将式（11.2.4）改写为式中Va=249.952Vin。)mV(1056.576.7)952.249(1056.5)952.249(76.7347332.0952.24976.72a6a2in6in2ininoVVVVVVV图11.2.1具有线性校正和冷端补偿的热电偶测温电路电路中AD592、AD1403、电阻R1电位器RP1和RP2构成冷端温度补偿电路。AD592是半导体集成温度传感器,其输出是与温度成比例的电流，其灵敏度为1μA/K（相当于1μA/℃），0℃时的输出电流为273.15μA。AD592的输出电流经RP1流入地，调节RP1使之电阻值为40.44Ω,则当环境温度为T时，RP1上的冷端补偿电压为)μV(44.40)15.273(BTVVB与热电偶的热电势相加即可补偿冷端温度。但因在0℃时有273.15×40.44=11.04mV的补偿电压，还需设置后续电路消除该电压。电路中采用AD1403经R1和RP2分压后得到11.04mV的电压，将热电偶的输出电压与该电压进行差分运算，即可消除零点误差。图中A1构成差分放大器，其输出就是经冷端补偿后的热电偶热电势Vin的249.952倍。Va=249.952Vin线性化电路由集成单片实时模拟运算芯片AD538及反相加法器实现。根据图示电路，AD538的输出为最终得电路输出为10000mV2ao1VV)mV(0556.076.7o1aoVVV加法器为三路输入反相加法器，Va经1:1反相后为一路输入；Vo1自AD538的8脚输出，为第二路输入；AD538芯片自带的10V基准输出为第三路输入。调节RP4使R10/(R7+RP4)=0.0556，调节RP5使R10/(R8+RP5)=7.76，根据反相加法器的运算关系可得电路的输出为前式。实现了具有线性校正和冷端补偿的热电偶测温。11.2.2铂电阻测量温度的应用电路铂电阻测量温度的基本原理是，铂电阻的阻值是温度的函数，通过测量铂电阻的电阻值即可测量温度。铂电阻的阻值与温度的关系是非线性的，通常可以用多项式表示式中R0是温度为0℃时的电阻值，其值与电阻型号有关。分度号为Pt100时，R0值是100Ω。)aaa1(n2210TntttRR实际应用时用二次多项式表示铂电阻的阻值与温度的关系，即式中的系数a1、a2采用最小二乘法确定，对于Pt100型铂电阻，在0℃～630.74℃内有)aa1(2210TttRR27231)C/(108458.5aC/109684.3a因此有下面介绍一种测量范围为0℃～500℃的线性化、宽温域的Pt100测温电路。电路如图11.2.2所示。电路由电压基准电路、线性化电路、差分放大电路和A/D转换电路组成。)108458.5103.96841(27-30TttRR图11.2.2采用Pt100的0℃～500℃的线性化测温电路基准电压VR=6.855V，该基准一方面作为线性化电路的输入，另一方面经分压后得到Va=287.1mV的补偿电压，同时又经分压产生A/D转换器的基准电压VREF。线性化电路由A2及外围电阻构成，RT是铂电阻，R是补偿电阻，RF=Rf，由电路可得o1TTo2Fo1o2fo2RVRRRVRVVRVV解之可得要使Vo2与温度成线性关系，必须使即有