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2.2.3 测量桥路及温度补偿

压阻式传感器的输出方式是将集成在硅片上的四个等值电阻连成平衡电桥,当被测量作用于硅片上时,电阻值发生变化,电桥失去平衡,产生电压输出。但是,由于制造、温度影响等原因,电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题,影响传感器的准确性。因此,必须采取有效措施,减少与补偿这些因素影响带来的误差,提高传感器测量的准确性。

1.恒压源供电

假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为 R ,当有应力作用时,两个电阻的阻值增加,增加量为Δ R ,两个电阻的阻值减小,减小量为-Δ R ;另外由于温度影响,使每个电阻都有Δ R i 的变化量。根据图2-21,电桥的输出为

此式说明电桥输出与 U 成正比,这是说电桥的输出与电源的大小、精度都有关。同时电桥输出 U 0 与Δ R 有关,即与温度有关,而且与温度的关系是非线性的,所以用恒压源供电时,不能消除温度的影响。

图2-21 恒压源供电

图2-22 恒流源供电

2.恒流源供电电桥

图2-22所示,恒流源供电时,假设电桥两个支路的电阻相等,即 R ABC R ADC =2( R +Δ R i ),故有 I ABC I ADC ,因此电阻的输出为

电桥的输出与电阻的变化量成正比,即与被测量成正比,当然也与电源电流成正比,即输出与恒流源供给的电流大小、精度有关。但是电桥的输出与温度无关,不受温度影响,这是恒流源供电的优点。缺点是,恒流源供电时,一个传感器最好配备一个恒流源,这在使用中有时是不方便的。

3.温度补偿

当压阻式传感器受到温度影响后,会引起零位漂移和灵敏度漂移,因而会产生温度误差。在压阻式传感器中,扩散电阻的温度系数较大,电阻值随温度变化而变化,故引起传感器的零位漂移。传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数随温度变化而引起的。

(1)零点温度补偿

当温度升高压阻系数减小,传感器的灵敏度要减小;反之灵敏度增大,零位温度一般可用串联电阻的方法进行补偿,如图2-23所示。串联电阻 R s 主要起调节作用,并联电阻 R p 则主要起补偿作用。

图2-23 温漂补偿电路

例如:温度上升, R s 的增量较大,则 A 点电位高于 C 点电位, V A V C 就是零位漂移。在 R 2 上并联一负温度系数的阻值较大的电阻 R p ,可约束 R s 的变化,实现补偿,以消除此温度差。

当然如果在 R 3 上并联一个正温度系数的阻值较大的电阻也可以。电桥的电源回路中串联的二极管电压是补偿灵敏度温漂的。二极管的PN结为负温度特性,温度升高,压降减小。这样当温度升高时,二极管正向压降减小,因电源采用恒压源,则电桥电压必然提高,使输出变大,以补偿灵敏度的下降。

(2)灵敏度温度补偿

灵敏度温度漂移是由压阻系数随温度变化而引起的,当温度上升时,压阻系数变小;温度降低时,压阻系数变大,说明传感器的温度系数为负值。

补偿灵敏度温度漂移,可以采用在电源回路中串联二极管的方法。当温度升高时,由于灵敏度降低,使输出也降低,这时如果能提高电桥的电源电压,使电桥输出适当增大,便可达到补偿目的。反之,温度降低时,灵敏度升高,如果使电桥电源降低,就能使电桥输出适当减小,同样可达到补偿之目的。因为二极管的温度特性为负值,温度每升高1℃时,正向压降约减小1.9~2.4mV。这样将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中,图2-23所示,电源采用恒压源,当温度升高时,二极管正向压降减小,于是电桥电压增大,使输出也增大,只要计算出所需二极管的个数,将其串入电桥电源回路中,便可达到补偿之目的。 uPJeCl5HCjz/60LJXmfr4GtENqmZwXTdYyw+548POBQkLUIqKr//ZoGpj2EwDALn

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