非平衡電橋壓力傳感器:利用自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移

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非平衡電橋壓力傳感器:利用自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移展開全文利用自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移時間:2009-04-2712:27來源:作者:點擊:次–>利用自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移孫新宇孫以材馬瑞珍常志紅賈德貴高振斌楊瑞霞摘

非平衡電橋壓力傳感器:利用自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移

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利用自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移
時間:2009-04-27 12:27來源: 作者: 點擊:次
  
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利用自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移
孫新宇 孫以材 馬瑞珍 常志紅 賈德貴 高振斌 楊瑞霞
  摘 要 論述了利用并聯自平衡電橋的方法補償大熱零點漂移的問題,主要分析了自平衡電橋的性質、補償原理、補償線路的原理及補償效果。通過實驗,得出了自平衡電橋可充分補償熱零點漂移的結論。
  關鍵詞 熱零點漂移 補償 自平衡電橋
Compensating the Large Thermal Zero Shift of Pressure
Sensor by Using the Automatic Balance Bridge
Sun Xinyu Sun Yicai Ma Ruizhen Chang Zhihong Jia Degui Gao Zhenbin Yang Ruixia
(Department of Electronic Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin ) 
  Abstract Compensate
the large offset thermal drift by using the automatic balance bridge is
discussed.The character of this bridge,the compensating principle,and
the principle of the circuit are analyzed.Through the experiment ,it is
confirmed that the large offsett thermal drift can be pefectly
compesated.
  Key Words Thermal zero shift Compensation Autimatic balance bridge
0 引 言
  壓力傳感器具有許多的優點,如:靈敏度高,穩定性好,易于小型化和批量生產等,應用于多種行業,但最大的缺點是壓力傳感器受到環境溫度影響,會產生很大的熱零點漂移,這大大地限制了壓力傳感器的應用,所以建立一整套比較完善的溫度補償措施是十分重要的。
  國內外的科學工作者在補償壓力傳感器熱零點漂移方面都做了大量的研究工作。國外已取得了一定成就,在50 ℃范圍內,零點輸出為2.5mV,零點溫度系數TC0=0.2%/℃。但國內的許多壓力傳感器,在50 ℃范圍零點輸出達50mV,零點溫度系數TC0>0.2%/℃。因此國內的壓力傳感器熱零點漂移補償技術,還有待于進一步提高。
  國外學者提出利用串聯自平衡電橋法來補償熱零點漂移,作者將其方法改進,把自平衡電橋并聯到傳感器電橋上,以達到消除熱零點漂移的目的。
1 自平衡電橋的性質
  本設計所采用的自平衡電橋消除壓力傳感器的大熱零點漂移的方法,是在國外有關自平衡電橋理論基礎上[1],加以改進而來的。其目的就是用自平衡電橋的性質,補償熱零點漂移。
  自平衡電橋的構成如圖1所示,包括二極管、電位器、電阻。用于消除熱零點漂移時因為輸出接高輸入阻抗的數字電壓表。自平衡電橋中電阻可為高阻元件,阻值一般為20kΩ。
圖1 自平衡電橋電路
  在T0=0 ℃時,調P1使自平衡電橋平衡,即V3=V4。由于二極管具有負的溫度特性,即dVd/dT=-2 mV/℃,所以當溫度升高到T=50 ℃后,V3上升,V4下
降,自平衡橋產生熱漂移。如果所用傳感器的熱零點漂移較大,那么要增加二極管橋臂上的二極管個數。如圖2所示,曲線1表示橋臂分別有一個二極管的熱漂移曲
線,熱漂移系數為4 mV/℃。曲線2表示兩橋臂上各有一個和兩個二極管,熱漂移系數為6 mV/℃。當兩橋臂分別加兩個二極管時,熱漂移系數為8
mV/℃,見曲線3,此時電橋可用于補償熱零點漂移很大的壓力傳感器。
  以上所述為自平衡電橋的性質。
圖2 自平衡電橋V3-V4與溫度關系曲線圖
2 電路原理圖
  用自平衡電橋消除熱零點漂移及熱靈敏度漂移的電路,如圖3所示,本電路由直流電源供電。
  首先,自平衡電橋SB1并入傳感器電橋的位置要根據實際情況而定。由于力敏電阻條R1、R2、R3、R4的阻值制作的不完全相等,所以壓力傳感器室溫、零壓力下就有零點輸出,即ΔV>0。如本設計所用傳感器,在不加任何補償線路時,其零點輸出為V1<V0,則SB1要并入V1端,V0端并聯電位器P3,這樣改變P3分壓比,可使P3中間抽頭的電位V2降低,從而達到V2=VP,ΔV=0的要求。
圖3 自平衡電橋補償熱零點漂移及熱靈敏度漂移的電路圖
  自平衡電橋SB1并聯到力敏電阻器R2上,因SB1為高電阻,所以可以避免R2短路,失去力敏電阻作用,其中間電位器P2為100kΩ,可保證P2分壓比改變時,VP值可在V3~V4范圍內連續變化。
  當由參考溫度T0升高到某一溫度T,例為50℃時,假設S0/T<0,即V0>V1,所以會產生V4<V3<V2的現象,VP值恒小于V2,這時調SB1的中間電位器P2,已起不到完全補償熱零點漂移的作用。在SB1與傳感器之間串聯二極管D0,如圖3所示,則可解決這一問題。因二極管具有負的溫度特性,dVd/dT=-2mV/℃,V1下降時,二極管管壓降Vd值也降低,從而使V3、V4電位提高。由此可保持V4<V2<V3,調P2可得V=0,溫漂得到補償。SB1與地間的電阻器R0,起到了提高V3、V4電位值的作用。
  自平衡電橋SB2用于補償熱靈敏度漂移,SB2應為小電阻電橋,這樣流過T0管基極的電流不會影響電橋的平衡,改變SB2中間電位器P4分壓比,其中間抽頭的電位發生變化,從而改變T0管的Vbe,相應基極電流改變,導致T0管的發射極電流改變,R5上電壓改變,從而可起到改變傳感器激勵電壓Ve的作用。比如,P4中間抽頭電流增大,Ve值升高,就可以補償因溫度升高而降低了的靈敏度。但如果圖3電路中不加T0射極跟隨器,流過P4的電流較大,導致SB2無法在參考溫度下調平衡。T0管既可保證傳感器端有較大電流流過,又保證P4上電流很小,解決了這一矛盾。
3 自平衡電橋的補償原理
  如電路原理中所述,傳感器具有很大熱零點漂移時,加入二極管D0(如圖3),才能起到應有的補償效果。但不同的傳感器具有不同的熱零點漂移,二極管D0所在的位置不同,起到的補償作用也不同。
  下面簡要說明自平衡電橋和二極管D0在補償熱零點漂移時所起的作用。在T0=0℃、壓力p=0時,調SB1的電位器P1(見圖1),使V3=V4=VP,調節P3,使V2=VP,即V=0。如圖4所示。
圖4 電橋平衡時電位關系示意圖
   升溫至T=50 ℃,V3>V4,且ΔV=V2-VP≠0。此時由于傳感器的性能不一,其溫漂可能會出現下列情況,相應補償方式有以下幾種:
 ?。?) 傳感器熱零點漂移較小的時候,有V3>V2>V4,如圖5所示,此時不必在SB1上串聯D0二極管,僅調整P2分壓比,可使ΔV=0。補償后的輸出曲線,如圖6。
圖5 升溫后電位變化示意圖
圖6 補償后的零點輸出曲線
 ?。?) 若傳感器的熱零點漂移較大,且T=50 ℃時,V2>V3>V4,如圖7所示。此時ΔV=V2-VP=V2-V3>0。其補償方法為本設計所采用的,SB1與傳感器電阻電橋之間串二極管,依靠二極管管壓降降低,使T=50℃時,相對于T=0℃時V3、V4電位值提高。補償示意圖如圖8所示。補償后曲線為圖9曲線2所示。曲線1為不加二極管時零點輸出與溫度的關系。
圖7 自平衡電橋補償不足電位示意圖
圖8 充分補償的電位示意圖
圖9 零點輸出曲線
 ?。?) 傳感器熱零點漂移很大,且V2<V4<V3,如示意圖10,此時ΔV=V2-VP=V2-V4<0。其補償方法為在SB1和地之間接入二極管。依靠D0管壓降降低使T=50 ℃時。相對于T=0 ℃時,V3、V4電位降低。其原理如圖11所示。圖12為前后零點輸出曲線的比較。曲線2為接入二極管后補償較好的情況,曲線1為不加二極管時零點輸出與溫度的關系。
圖10 補償不足電位示意圖
圖11 充分補償電位示意圖
圖12 熱零點漂移輸出曲線
  但本設計在實驗中并沒有完全按上述方法,即在0 ℃調平衡,50℃再調平衡,而是根據實際情況,將室溫做為參考溫度,50℃時,將溫漂調小一半(約0.8mV),這種補償效果在室溫時最為理想,有利于實際應用。
4 實驗數據及結果分析
  以本設計所獲得的實驗數據為依據,對自平衡電橋的補償效果加以說明。
  當壓力傳感器無外線路補償條件下,電壓源Ve=3V,壓力p=0,T0=22℃時,ΔV=0,到T=50℃時,ΔV=50mV ,如圖13曲線1所表示。
  將補償自平衡電橋接入,但無補償二極管D0,在各溫度下的熱零點漂移見表1。圖13中曲線2為補償后的零點輸出。與未補償零點輸出相比,已有明顯補償效果,但零點仍達不到要求。
圖13 補償前后的熱零點漂移曲線
表1 自平衡電橋補償后的熱零點漂移 ?。╒cc=12.07V)
溫度(℃) 零點輸出(mV)00.51.03.08.0 溫度(℃) 零點輸出(mV)10.014.016.019.022.0   考慮到V2>V3>V4,按補償原理中所述,接入二極管D0。重新調零點后獲得各溫度下的零點輸出,見表2,圖13中曲線3為本次零點輸出曲線,可以看到,補償后的熱零點漂移接近于0。與曲線1,2比較本次補償效果為最佳?! ”? 充分補償后的熱零點漂移 ?。╒cc=10.90V) 溫度(℃) 零點輸出(mV)-1.2 -0.5-0.2-0.8-0.2 溫度(℃)  零點輸出(mV)1.21.51.10.8 
  利用自平衡電橋很好的補償了熱零點漂移,但也犧牲了一部分靈敏度,靈敏度有一定程度的降低。見表3,以下數據是在T0=24 ℃時測得的。
表3 補償前后的ΔV比較(24℃)
壓力(MPa)00.040.090.140.190.250.30 補償前(mV)1.010.526.542.057.076.091.0 補償后(mV)-0.24.510.716.822.933.336.4
  通過比較可知,補償前傳感器滿量程輸出為90mV,補償后滿量程輸出減小到36.6mV。靈敏度降低到原來的約40%。
5 實驗結論
  參考前面的實驗數據,補償前在ΔT=25 ℃范圍內,ΔV=50mV,滿量程輸出M=90mV。補償后,ΔT=50℃,ΔV=2.4mV,滿量程輸出M=36.6mV。由熱零點漂移系數計算公式:
補償前: 
補償后: 
  熱零點漂移減小了10倍以上,說明補償效果良好。
 
 通過以上理論分析及實驗數據的證實,說明利用自平衡電橋消除熱零點漂移的方法是切實可行的,而且達到了理想的補償效果。自平衡定橋的線路簡單,所用元件
很普通,二極管特性穩定,重復性好,價格便宜,調試方便,補償效果良好,唯一的不足就是并聯自平衡電橋時犧牲了一部分靈敏度。
作者簡介:孫新宇,女,1972年生。1997年畢業于河北工業大學,獲碩士學位。畢業后留校任教,現從事半導體測量與傳感器研究。
作者單位:(河北工業大學電子工程系,天津?。?br /> 參考文獻
1 Bryzek J.Sensors & System.Chicago,U S A,1982.30~46

非平衡電橋壓力傳感器:電子課件----壓力傳感器及非平衡電橋

5.3 壓力傳感器及非平衡電橋
信號轉換技術
【預習重點】:
1.什么是電阻應變效應?
2.本實驗所用壓力傳感器的構造原理
3.了解實驗中所用儀器及測量量
【教學要求】:
1.了解應變壓力傳感器的組成、結構及工作參數2.了解非電量的轉換及測量方法-電橋法
3.掌握測量壓力傳感器的靈敏度及物體的重量4.掌握測量傳感器電源電壓與電橋關系
【教學重點】:
四臂輸入時電橋的電壓輸出特性
【教學難點】:
電阻應變效應
壓力傳感器的結構
惠斯登全橋差動電路原理
【課程講授】:
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非平衡電橋壓力傳感器:自平衡電橋激勵的壓力傳感器零點輸出信號的電漂移特性

摘要:

本文詳細的分析了自平衡電橋激勵的壓力傳感器的輸出信號U與橋電壓Ve、供電電壓Vcc及流體壓力P之間的關系 ,并指出 ,不僅對橋電壓而且對總激勵電壓都存在零點電漂移 .在U~Vcc、P的三維空間表達了三者之間典型關系曲線 .在U0 |Vcc0=0 的等勢面 (Vcc0 )上顯示出高的壓力靈敏度 ,而在 U0 / Ucc=0的等勢面 (≈ 12 Vcc0 )上 ,壓力靈敏度則低的多 .建議零點輸出的電漂移應作為壓力傳感器的一個特性指標

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非平衡電橋壓力傳感器:非平衡電橋與壓力傳感器的研究實驗報告.docx

非平衡電橋與壓力傳感器的研究實驗報告
  壓力傳感器的特性及非平衡電橋信號轉換技術   【實驗目的】   〔0了解應變壓力傳感器的組成、結構及工作參數。  ?、屏私夥请娏康霓D換及測量方法——電橋法。   掌握非平衡電橋的測量技術。   (幻掌握應變壓力傳感器靈敏度及物體重量的測量。  ?、橇私舛鄠€應變壓力傳感器的線性組成、調整與定標。   【實驗原理】   壓力傳感器是把一種非電量轉換成電信號的傳感器。彈性體在壓力粘貼于彈性體中的應變片產生電阻變化。   壓力傳感器的主要指標是它的最大載重范   圍。   壓力傳感器是由特殊工藝材料制成的彈性體以及電阻應變片、溫度補償電路組成,并采用非平衡電橋方式連接,最后密封在彈性體中。   1.彈性體   一般由合金材料冶煉制成,加工成3形、長條形、圓柱形等。為了產生一定彈性,挖空或部分挖空其內部。   2^電阻應變片   金屬導體的電阻尺與其電阻率斤長度1、截面2的大小有關。導體在承受機械形變過程中,電阻率、長度'截面都要發生變化,從而導致其電阻變化。   這樣就把所承受的應力轉變成應變,進而轉換成電阻的變化。因此電阻應變片能將彈性體上應力的變化轉換為電阻的變化。   敏感柵。敏感柵是感應彈性應變的敏感部分。敏感柵由直徑約?   的高電阻系數的細絲彎曲成柵狀,它實際上是一個電阻元件,是電阻應變片感受構件應變的敏感部分。敏   電阻應變片結構示意圖皂3’1   1—敏麵.................................................10實驗三波爾共振實驗.....................................................................................................................16實驗四旋轉液體物理特性的研究.....................................................22實驗五密立根油滴實驗——電子電荷的測定.............................................................................25實驗六弗蘭克—赫茲實驗.................................................................27實驗七聲光效應.............................................................................................................................30實驗八透鏡焦距測量.........................................................................33實驗九光電效應.............................................................................................................................37實驗十電勢差計測電動勢.................................................................39實驗十一音頻信號的光纖傳輸.....................................................................................................42實驗十二靜電場模擬.........................................................................44實驗十三磁阻效應綜合實驗.........................................................................................................46實驗十四超聲聲速的測定.................................................................56實驗十五非平衡電橋與壓力傳感器特性研究及其應用...............61實驗十六電子束實驗.....................................................................................

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