液体质量流量计放大电路温度漂移补偿方案

常海龙，张丕状，闫加胜，蔡　璇

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原　030051)

0　引言

1　温差小信号放大电路设计

根据温差信号以及测试环境(高温和强电磁干扰)的实际需要，设计出如下的测量电路原理如图1所示。

图1　小信号差分电路测量电路图

首先，采用高精度电桥电路，主要是为了让差分信号能够跟精确的反映出此时温差信号的的大小，使得整体电路中信号的稳定性加强。差动放大电路的输入信号电桥是由2个铂电阻Pt100和2个温度系数很小的电阻构成，一路铂电阻测试液体流量的冷端，另一路铂电阻测试液体流量的热端，按照一定规律放置，满足铂电阻自身的温度补偿。为了电桥的输出电压能够真实反应铂电阻的变化，电源的精度以及稳定性至关重要。因此采用电桥电压与A/D转化器的基准电压采用同源电压，实现电源的共模干扰，消除了由于工作电压不稳所带来的误差。[2-3]

(1)

式中：RG为增益反馈电阻，为了使噪声以及电路的稳定性的原因，增益电阻最好选择热噪声小的电阻。

第一级放大电路输出电压为

Vout1=G·(VIN+-VIN-)+RREF

(2)

式中：VIN+、VIN-为正向反向输入端偏置电压；G为放大增益。

那个显然是头儿的八路军善解人意地笑了下，转身朝一直张着大嘴愣怔着的周教授几个走来，拍了拍周教授肩头说，同志们，日本人完蛋了，我们胜利了。

第二级放大电路是一个同向比例放大电路，其输出电压为

(3)

式中：R1、R2为反馈电阻;Vout1为第一级放大电路输出电压。[4]

2　温度补偿电路的设计分析

温度补偿方法有很多，可以分为软件补偿和硬件补偿。软件补偿通过温度传感器测得温漂具体的值，用合适算法进行数据融合，补偿算法一般由单片机实现，其补偿效果很好，精度很高，但这种补偿系统体积比较大，传感器本身一些误差补偿算法可能无法补偿[5]。硬件补偿通过补偿电路改变其输出。常用的方法有串并联电阻减小零漂[6-7]，双惠斯通电桥抵消等[8]，只能改善零位输出和零位漂移，成本较高。

根据上述方法不足之处，文章提出了一种新的温度补偿方法。把环境温度和芯片自身的发热产生的影响都考虑在内，提出了双重温度补偿的方法，也是首次提出应用。电路原理图如图2所示。

图2　温度补偿电路

该电路主要优点有两点：(1)补偿电路简单，体积很小；(2)全面的考虑了热源的影响，精确的达到温度补偿的效果。电路主要有两部分构成。第一部分是电阻分压电路。上路由大阻值的滑动变阻器和1个铂电阻构成，与-15V电源相连，下路有2个定值电阻，阻值大小一样，与+15V电源相连。通过基尔霍夫电压定律计算可知，电压值

(4)

式中选用温度系数5 ppm/℃电阻。

在实际的工作中，AD8429会产生大量的热，芯片常温工作时温度可达到40 ℃，并且会在电路板上产生温度分布。为了使温度补偿更精确，芯片的温度和外界的温度必须同时考虑，把铂电阻Pt100做了特殊的处理，和AD8429粘黏一起，可以准确反应出芯片的实际温度，及时的补偿由温漂所带来误差。基于这种思路，在放置其它元器件的时候，将反馈电阻放到AD8429有利平衡位置，在线路预一段时间后，可以达到温度相对平衡，对抑制温漂有一定作用。[9]第二部分就是电压衰减部分，用op07搭建反向比例放大电路，其输出电压为

(5)

将其与AD8429的端相连，由式(1)～式(5)可得，两级放大电路经过温度补偿后的输出电压为

(6)

通过对实际电路的测量，绘制出在放大电路中温漂曲线图，找到两级输出为0的所对应的临街温度值，观察变化趋势，计算出温度补偿电路电压衰减倍数，选用合适的元器件，搭建硬件电路，从而达到减小误差，提高测量精度的目的。注意该电路对电阻的匹配要求很高，选用不当，达不到预期的效果。

3　测试结果与性能分析

把AD8429的输入信号和端输入0V，对不同温度下两级放大输出电压进行采集，进行2次试验，每次采集100点，并用matlab分别进行了一次拟合、二次拟合、三次拟合、四次拟合，得到图3、图4所示。

图3　差分放大电路温漂测试曲线1

通过观察计算，选用2次实验的二次拟合曲线作为研究，如图5表示。

从图5中可以观察到，在30～ 50℃范围内，两级输出电压从-8 mV变化到+8 mV，呈现出递增的变化

图4　差分放大电路温漂测试曲线2

图5　二次拟合差分放大电路温漂测试比较

趋势，温度在40～45 ℃之间，两级输出为0，根据Pt100实际阻值=温度×0．385 Ω/℃+100 Ω，调整滑动变阻器，使其温度在41 ℃时，使得为零，由温漂变化的幅度计算出每升高1 ℃时，电压的变化，得到确定的衰减倍数。通过对放大电路的补偿，试验结果如图6所示。

图6　差分放大电路温度补偿与无温度补偿比较

温差信号差分放大电路进行温度补偿后，温差范围控制在-1～+1 mV内，达到了很好的补偿效果，提高了测试电路的精度和稳定性。

4　结束语

文章介绍了一种新的温度补偿方法。通过对芯片自身产生的热量以及环境温度的双重影响出发，对研究温度与两级放大输出电压进行研究分析，选用铂电阻Pt100，并对其进行特殊处理，能够准确的测量出主芯片以及环境温度，取得较好的温度补偿作用，提高了温差信号的稳定性，改善了测流体质量的的精度。

参考文献：

[1]夏伯雄，杨均青．温度补偿系统使测量仪器更精确．国外电子测量技术，2005，24(9)：6-7．

[2]郭天怀．基于电阻应变式称重传感器的电子天平的研制：[学位论文]．长春：吉林大学，2006．

[3]刘让周．智能化应变式称重传感器的设计：[学位论文]．长沙：湖南大学，2012．

[4]毕满清，王黎明，高文华，等．模拟电子技术基础．北京：电子工业出版社，2008：231-240．

[5]李玲玲，赵全明．压力传感器的温度补偿．传感器世界，2000，8：16-17．

[6]徐桂华．硅压阻式压力传感器的温度补偿．数据采集与处理，1994，3：229-232．

[7]孙凤玲，于海超，王金文，等．硅压阻式压力传感器温度补偿建模与算法研究．微纳电子技术，2007，(增刊1)：263-264．

[8]LEE Y T，HEE-DON，KAWAMURA A．Compensation Method of Offset and Its Temperature Drift in Silicon Piezoresistive Pressure Sensor Using Double Wheatstone-bridge Configuration．The 8th international conference on solid-state sensors and actuators，1995：570-573．

[9]江孝国，杨兴林．高精密、高稳定度的应变计测量差动放大电路．信息与电子工程，2010，8(5)：575．