硅压阻压力传感器调理电路设计与验证

王 浩，张 弛，赵建平

(1.西北工业大学民航学院，陕西西安 710072；2.中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西西安 710065)

0 引言

压力测量是工业控制系统中关键过程，其精度及稳定性直接影响控制系统的功能、性能和可靠性，目前主要的压力传感器包括电阻应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器和硅压阻压力传感器；其中，硅压阻压力传感器具有灵敏度高、动态响应快、线性度好、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天、石油化工等领域[1-4]。

硅压阻压力传感器选用扩散硅差压敏感元件作为压力感测单元，在敏感膜片上制作4个电阻以组成力敏全桥，给全桥一定的电压或电流激励，可以将弹性材料受压力产生的应变转换为与压力成近似线性关系的差模电压输出域[5]。

压力传感器激励可选用直流电压源或直流电流源，当激励选用直流电压源时，可同时给多个压力传感器供电，而直流电流源只能给一个压力传感器供电。此外，经过实践发现，压力传感器在使用恒压源供电时，其零位漂移较小[6]。因此，文中硅压阻压力传感器激励选用直流电压源。

压力传感器输出信号为mV级，易受外界干扰，并且输出阻抗较大，为保证采集精度，需要对其进行放大、滤波处理，设计采用仪表运放实现对mV级电压信号的放大，并增加低通滤波器滤除高频干扰。同时，为实现开路检测功能，设计“双上拉电阻”方案避免了压力传感器输出阻抗较大的问题。

1 调理电路说明

1.1 硅压阻压力传感器工作原理

硅压阻压力传感器内部全桥电路如图1所示，其中Uin为恒压源激励电压，Uo为输出电压，R1～R4为4个桥臂电阻，R2、R4的阻值随着压力的增大而增加，R1、R3的阻值随着压力的增大而增减小[7]。当压力传感器敏感膜片未受到压力产生形变时，压力传感器输出的电压Uo为

(1)

图1 硅压阻压力传感器原理框图

一般情况下，为保证硅压阻压力传感器的零位输出电压，全桥的电阻阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R，则在压力为0时，Uo=0 mV。当施加到压力的传感器的压力p导致全桥电阻变化量为ΔR时，压力传感器输出电压Uo为

化简得：

(2)

当电阻变化量ΔR与施加的压力p成正比例时，通过采集压力传感器输出电压Uo即可实现对压力的测量。

1.2 硅压阻压力传感器调理电路设计

图2为硅压阻压力传感器调理电路原理图，主要包括恒压源激励电路、开路检测电路和放大滤波电路。恒压源激励电路采用负反馈结构，由同相放大电路、驱动电路、电流采样电路和过流保护电路组成。压力传感器输出阻抗较大，为降低开路检测对精度的影响，开路检测电路采用了“双上拉电阻”方案。此外压力传感器输出信号通常为mV信号[8]，并且，为保证信号采集精度，选用仪表运放对其进行放大处理，再经过低通滤波电路滤除高频干扰信号，最终由A/D采集电路转换成数字信号。

图2 硅压阻压力传感器调理电路图

1.2.1 恒压源激励电路设计

由式(2)可知，压力传感器输出电压Uo与恒压源激励电压Uin成正比，因此恒压源激励供电性能对采集精度及稳定性影响很大，同时还需考虑恒压源激励电路的过流保护功能，提高激励电路的可靠性。为满足上述要求，提出带过流保护功能的恒压源激励电路，如图3所示。主要包括运算放大器D1、功率NPN晶体管Q1、采样电阻R0、P沟道场效应管Q2和N沟道场效应管Q3。

图3 恒压源激励电路原理图

运放D1同相输入端VREF为高精度电压参考源，根据负反馈运放D1虚短、虚断特性，恒压源激励电路输出电压Uout与VREF的关系为

Uout=VREF(1+R6/R5)

(3)

当R5、R6选用低温漂、高精度的电阻时，Uout可实现全温范围高精度输出。功率型三极管Q1的作用是提高Uout驱动能力。过流保护功能主要由R0、Q2、Q3实现，具体的工作原理如下：图3中恒压源激励驱动电流为I0，Q2栅源电压为VGS=-R0I0，随着I0的增大，Q2的栅源电压逐渐变小，当栅源电压小于开启电压时，Q2导通，进而导致Q3的栅源电压为

(4)

超过了Q3的开启电压VGS(th)，Q3导通，Q1的基极电压变为0，Q1截止，Uout输出被关断，驱动电流I0减小到0，场效应管Q2、Q3由导通状态变为截止状态，激励电压Uout恢复输出。为防止过流后出现高频振荡，损坏Q1，在Q3的栅极与地之间增加了延时电容C1，C1的充电时间常数τ1=R9C1，放电时间常数τ2=R10C1，在图3的电路中，R9

1.2.2 开路检测电路设计

一般来说，硅压阻压力传感器使用环境较复杂，经常会受到振动、冲击等机械应力的影响，接口会发生开路故障[9]。为了确保在发生开路故障时，能够及时检测，需要在压力传感器输出端增加上下拉电阻，以便开路后的输出电压为固定电平。但需要注意的是，由硅压阻压力传感器的结构可知，其输出阻抗可达到kΩ级别，通常开路检测用的“上下拉电阻”方案会影响压力传感器输出精度，以图4中电路为例进行说明。其中压力传感器内全桥电阻R1～R4均为10 kΩ，上拉电阻R11和R12阻值均为1 MΩ，则根据分压原理可计算出由上拉电阻R11引起的输出电压偏移为

(5)

绝大多数硅压阻压力传感器输出最大值为100 mV，因此，施加图4上下拉电阻后，当压力传感器内全桥电阻发生变化时，压力传感器输出电压与压力不再是精确的线性关系，不能实现压力信号的高精度测量。

图4 压力传感器电阻误差分析原理图

(6)

(7)

图5的双上拉电阻引起的压力传感器输出信号总的电压增量为

(8)

图5 压力传感器开路检测原理图

由结果对比可知，硅压阻压力传感器开路检测电路将输出误差降低至0.13 mV，是原电路输出误差的1/191，并且在压力传感器发生开路故障后，输出电压被固定在2.5 V，远大于压力传感器输出的电压范围，可实现开路故障检测功能。

1.2.3 放大及滤波电路设计

鉴于硅压阻压力传感器输出阻抗较大，为保证放大精度，放大电路基于仪表运放实现。仪表运放具有高输入阻抗、高共模抑制比、高线性度、低输入失调电压、低失调电压漂移等优点，适合硅压阻压力传感器输出信号放大使用。

放大电路原理图如图6所示，放大倍数G由电阻RG的阻值[10]决定，计算公式为

(9)

图6 放大电路原理图

压力传感器输出信号为mV级差分信号，容易受到模块及差模干扰信号，为保证信号的高精度采集，在仪表运放的前端增加了滤波电路。其中电阻R13与电容C3构成了共模干扰低通滤波器，截止频率为

(10)

R13与C2组成了差模干扰低通滤波器，截止频率为

(11)

一般来说，C3的容值应大于10倍C2的容值。应用该电路，可以有效地滤除电路中的高频干扰，实现硅压阻压力传感器输出信号的精确放大。

2 电路验证

为充分验证压力传感器恒压源激励的功能和性能，制作了工程样机。验证工作主要分为2部分内容：硅压阻压力传感器恒压源激励电路验证及调理电路的精度验证。

硅压阻压力传感器信号采用压力信号仿真板卡PXF0018模拟，PXF0018可实现4路完全隔离的压力传感器弱电压信号输出，输出量程可配置，最大输出范围为0～200 mV，分辨率为0.01 mV，输出稳态精度可达到0.02%FS，输入阻抗为2～5 kΩ，输出阻抗不大于6 kΩ，频响带宽为25 Hz。上位机通过配置不同的数字量来模拟压力传感器输出的不同电压值。

2.1 硅压阻压力传感器激励电路验证

为验证硅压阻压力传感器恒压源激励电路的功能和性能，对该电路的输出精度及过流保护功能进行了测试。图3中，运算放大器D1同相输入端所接的参考电压VREF值为2.5 V，R5=R6=5 kΩ，R9=1 kΩ，R10=3 kΩ，C1=47 nF。当恒压源激励电路所接负载为1 kΩ时，测试波激励源上电时波形如图7所示，测试结果表明：恒压源电路6 μs可达到稳定，稳定后使用万用表测试输出的电压值为4.99 V，精度达到0.2%，满足压力高精度测量的要求。

图7 上电过程恒压源电路输出波形

将恒压源激励外部负载电阻由1 kΩ更换为20 Ω时，过流保护电路开始工作，此时测得压力传感器输出波形如图8所示，其中高电平时间大概为30 μs，低电平时间大概为100 μs，与图3中电容C1的充放电时间基本一致。在发生过流故障时，恒压源激励电路不会发生不可逆的损坏。

图8 过流时恒压源电路输出波形

2.2 硅压阻压力传感器输出信号放大精度验证

图6中，R13阻值选为10 kΩ，C2为47 nF，C3为1 nF，则共模低通滤波截止频率为15.9 kHz，差模低通滤波截止频率为169 Hz，RG阻值为1.2 kΩ，仪表运放放大倍数为42.17；上位机将PXF-0018量程配置为0～50 mV，并依次设置输出电压为0、10、25、40 mV，使用4位半的万用表对放大电路输出电压U1进行测试，并记录数据，如表1所示。

表1 放大电路实测电压

2.3 电路测试结果

由以上验证结果可知，恒压源激励电路可实现高精度的直流电压输出，并在发生过流故障时，可按照PWM类型的激励信号输出，保证了激励电路的安全，提高了可靠性。并且调理放大精度可达到0.5%，达到了多数压力高精度的测试目标。

3 结论

文中提出了一种硅压阻压力传感器调理电路，主要包括恒压源激励电路、开路检测电路和放大及滤波电路。其中恒压源激励电路实现了过流保护功能，当发生过流故障时，激励输出电压为PWM类型，其中占空比可通过电阻、电容配置，较灵活，可适配不同额定功耗的三极管。开路检测电路解决了输出阻抗影响精度的问题。基于仪表运放设计了放大及滤波电路，实现了mV级信号的放大。为滤除高频干扰，设计了共模及差模低通滤波电路。搭建了验证平台对该电路进行了验证测试，验证结果证实了恒压源激励电路输出精度高，过流保护功能有效，且调理精度可达到0.5%。

后续可对恒压源激励电路和放大滤波电路的温漂特性进行理论分析，对恒压源输出误差补偿电路进行研究，同时结合硅压阻压力传感器在全温范围内对该调理电路的温漂进行测试，进一步提高硅压阻压力传感器调理精度。