温压复合式传感器设计与实现

2022-11-05李彦芳李本亮孙瑜

电子设计工程 2022年21期

关键词：滤波调理电源

李彦芳，李本亮，刘珂，孙瑜

（中国飞行试验研究院，陕西西安 710089）

机载测试等领域需要采集大量的压力和温度参数，在应用中，对于每台压力传感器和管道温度传感器，都需要面对管路接口安装、密封，电气接口布置等诸多共同问题。

若将二者功能合为一体，实现组合式测量，可以大大减小传感器在系统的占用空间与接线数量，降低使用成本，减小使用现场的工作量。

温压复合式传感器采用一体化设计，将温度及压力传感器的功能加以组合，能够同时测量温度与压力参量，更大程度地获得被测目标的信息，并采用嵌入式开发技术，使得传感器集成化程度高[1]。

1 传感器工作原理

传感器由压力敏感元件、温度敏感元件、信号调理电路、电源电路等功能模块构成。压力敏感元件、温度敏感元件分别将介质压力、温度转换成适于测量的电信号，信号调理电路通过微处理器实现信号采集、A/D 转换、全温区温度漂移误差补偿、全量程非线性误差修正，并结合模拟电路对信号进行滤波、调整，变成便于显示、记录、控制处理的标准信号；电源电路将外部供电电源转化为二次电源，供内部元件使用。传感器原理框图如图1 所示。

图1 传感器原理框图

2 主要技术指标

温压复合式传感器将感受到的介质温度、压力分别转换为0.5 VDC～4.5 VDC 模拟电压信号，以供后续采集记录设备使用。传感器拟实现如下技术指标：

1）压力测量范围：0～35 MPa；

2）温度测量范围：-55～+200 ℃；

3）供电：27（1±10%）VDC；

4）输出信号：0.5 VDC～4.5 VDC；

5）测量精度：小于或等于0.3%F.S（非线性、迟滞、重复性）；

6）绝缘电阻：大于或等于500 MΩ/500 V。

3 传感器设计

3.1 压力敏感元件

传感器设计中选用了应用最为广泛的压阻式敏感元件。压阻式敏感元件通过硅膜片上的等臂差动惠斯登全桥作为敏感检测电路，以获得最高的灵敏度和输出线性度。敏感元件电阻率变化主要由压阻系数、材料弹性模量和泊松比等因素决定，这些因素受温度变化的影响很大[2]。

随着微机械加工技术的发展，压阻式敏感元件能够获得良好的重复性、低迟滞性和长期稳定性，在实际使用中需要解决的主要问题是温度漂移误差，再者，敏感元件的输出信号是毫伏级小信号，需要对该信号进行调理，以使传感器输出便于采集记录的标准信号。

3.2 温度敏感元件

传感器选用铂热电阻作为温度敏感元件。金属铂的温度变化关系非常稳定，是目前制造热电阻的最佳材料。高精度的铂电阻温度传感器，响应时间不大于1 s[3]。铂热电阻的主要优点有：

1）在测温范围内，化学、物理性能稳定，测温准确；

2）具有良好的输出特性，在测温范围内电阻与温度之间线性关系好；

3）具有较高的电阻率，体积和质量小；

4）具有良好的可加工性，价格便宜。

铂电阻值与温度之间的关系可近似表示如下：

式中，Rt是温度为t℃时的电阻值，R0是温度为0 ℃时的电阻值，A、B、C 为常数。

3.3 传感器结构设计

由于传感器温度测量范围为-55～+200 ℃，选用的电子元器件工作温度范围为-55～+125 ℃，因此，对传感器的敏感元件部分和调理电路部分进行分体式结构设计，以能够测量到200 ℃的高温介质参数。传感器的压力接口及电气接口采用典型标准连接。传感器外形如图2 所示，传感器结构如图3 所示[4]。

图2 传感器外形尺寸（单位mm）

图3 传感器结构剖面

3.4 传感器信号调理设计

在信号调理电路中对两种敏感元件的信号进行调整及线性处理，并利用温度敏感元件的实时温度信号对压力敏感元件的温漂误差进行补偿，通过融合处理，以有效提高传感器的测量精度和环境适应能力，使传感器的输出特性具备较好的一致性和互换性。温度信号处理电路、压力信号处理电路是这次设计最关键的电路，需要信息采集快速准确，传递处理效率高[5]。

3.4.1 温度敏感元件电压转换电路设计

由温度敏感元件感应被测介质温度，并将信号送到调理电路，通过XTR105 使温度敏感元件的输出转换为4～20 mA 的直流信号[6]，变化的电流值通过采样电阻RL转化成电压值，将电压信号送入微处理器MSC1211 进行数据处理[7]。其电路设计图如图4所示。

图4 温度敏感元件电压转换电路

XTR105 是一种自带传感器激励源和内置线性化电路的变送器芯片，直接与铂电阻相连构成温度传感器/变送器电路[8]。芯片本身具有增益可调功能，可以省略外部的运放，此外还具有低温漂、低噪声、高共模抑制比的特点，其工作电源为7.5～36 VDC。

3.4.2 温度、压力信号调理电路设计

压力敏感元件及温度敏感元件的输出信号在一阶滤波后送到MSC1211 的A/D 转换通道。微处理器MSC1211 对压力、温度信号进行模数转换，并根据插值法对信号进行温漂校准，换算出当前压力、温度值，并通过D/A 转换输出相应的0.5～4.5 VDC 标准电压信号。

MSC1211 是TI 公司的高集成度混合信号微处理器，片上集成了八路差分输入通道和单通道24 位高精度Σ-ΔA/D 转换器（其内部包括输入缓冲器、可编程增益放大器、调制器、多路转换开关、数字滤波、数据处理及信号校准电路）[9]。芯片自带2.5 V 高精度基准电压（精度为0.2%，漂移为5 ppm，可选为A/D 转换的基准电压），4 通道16 位DAC、改进的8051 内核、32 kB 的FLASH 闪速存储器以及1.2 kB 的静态数据存储器，还有丰富的外设资源，尤其适合温度、压力等缓变信号的采集和处理。综上所述，通过采用高精度、低功耗的微处理器MSC1211 对传感器进行温漂补偿和误差校准，实现了传感器的高集成度、高精确度、小型化和智能化。

3.4.3 传感器滤波输出设计

由运算放大器和电阻、电容构成的有源滤波器具有输入阻抗高、输出阻抗低、可提供一定增益、截止频率可调等特点，在通信、信号处理、仪器仪表和自动控制等领域有着广泛的应用[10-11]。

为提高电路输出信噪比，在调理电路最后一级设有滤波输出电路，如图6 所示，通过RC 滤波网络和运算放大器TLV2252AIDR 构建二阶有源低通滤波器，对信号进行滤波输出。

图6 传感器滤波输出电路

图5 温度、压力信号调理电路

3.5 传感器电源电路及电磁兼容设计

电源电路将27 VDC电压调整为15 VDC及5 VDC，供其他元件使用。对于电子系统常见的电磁干扰，如电压暂降、短时中断和电压变化等，可通过LC滤波、瞬态干扰抑制、去耦、电磁屏蔽等设计来解决[12]。在电源输入端通过电感器、电容器对电路工作中产生的共模干扰、差模干扰进行滤除[13]。采用瞬态抑制器将高电压能量瞬间转移，使大电流离开被保护电路[14]。调理电路的外壳选用良性导体材料，在外壳连接处采用导电橡胶条进行密封处理，保证整体电磁屏蔽特性[15]。

传感器的压力敏感元件采用恒压源激励的方式，在对电桥加激励电源时，电桥输出不平衡差分电压信号，电桥的输出电压与施加的压力成正比。激励电源的稳定性直接影响电桥输出的总精度。在激励源设计时，采用具有高精度、高稳定性的REF5050AIDR 作为电压基准[16]。