一种压力传感器电路及其调试方法
【专利摘要】本发明属于压力传感技术，提供一种压力传感器电路及其调试方法。所述压力传感器包括电路电压基准电路(1)、敏感电桥(2)、电压放大电路(3)、电流转换电路(4)四部分。该压力传感器电路通过合理选择电压基准、运算放大器等主要器件，降低惠斯登压力敏感电桥的供电电压、增大零位电压分压调整电阻器的阻值，使传感器信号调理电路的静态消耗电流不大于3.8mA，从而满足压力传感器的调试要求；通过在合理确定三运放仪表放大电路的放大倍数、确定电压放大电路中负反馈电阻器上的并联瓷介电容器的容量，实现对压力敏感电桥微弱信号的高倍数放大，同时使电路具有良好地稳定性。
【专利说明】
一种压力传感器电路及其调试方法
技术领域
[0001]本发明属于压力传感技术，涉及一种压力传感器电路及其调试方法。
【背景技术】
[0002]压力传感器采用两线制4mA?20mA标准电流环设计，可以实现电信号的远距离传输，具有信号传输精确、抗干扰能力强、静态消耗电流低的优点；同时两线制设计可有效减少压力传感器与系统之间电气连接电缆的数量。两线制4mA?20mA输出的压力传感器必须要求压力传感器的电路静态消耗电流应小于3.8mA，否则无法调试。
[0003]压力传感器常采用溅射薄膜压力敏感原理或者钛/硅-蓝宝石压力敏感原理的压力敏感芯体，上述敏感原理是通过弹性膜片的形变引起压力敏感电桥桥臂电阻变化，从而实现将压力信号转换为电阻信号的目的。这些原理的压力敏感芯体敏感电桥的显著特点有:I)灵敏度低，通常满量程输出仅为lmV/V?3mV/V; 2)敏感电桥的桥臂电阻值通常为2.5kΩ至5k Ω。基于溅射薄膜压力敏感原理或者蓝宝石压力敏感原理的压力传感器要实现两线制4mA?20mA输出的设计要求，存在以下矛盾:为了减小压力传感器电路的静态消耗电流，电路中需要采用低消耗电流的器件，同时尽可能降低敏感电桥的供电电压;但是当降低敏感电桥的供电电压时，其输出信号随之减小，为了实现4mA?20mA电流信号输出，需要提高电路的放大倍数，其放大倍数通常需要达到1000倍甚至更高的倍数。当放大倍数提高后，其电桥输出信号对微弱的电路噪声变得更加敏感，导致输出跳变和不稳定的现象，不能满足压力传感器的设计要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:提供一种静态消耗电流低、抗干扰能力强、稳定性好的压力传感器电路及其调试方法。
[0005]本发明采取的技术方案为:一种压力传感器电路，包括电压基准电路1、敏感电桥
2、电压放大电路3、电流转换电路4四部分，其中，压力传感器包括电气节点VCC、IQUT、SGND、V+、Vref、Earth、+Vin、-Vin和Vout ；电压基准电路I与节点VCC、Iqut、SGND、V+、Vref和Earth相连接，敏感电桥2通过节点SGND、V+与电压基准电路I连接，敏感电桥2通过节点+Vin、-Vin与电压放大电路3连接，电压放大电路3通过节点V+、SGND、Vref与电压基准电路I连接，电压放大电路3通过节点Vout与电流转换电路4连接，电流转换电路4通过节点V+、SGND与电压基准电路1连接，其中，所述电气节点￥0:、1隱、36仰、￥+、￥代€』3^11、+￥丨11、-￥丨11、￥01^的电气定位分别为压力传感器的电源输入端、压力传感器的电流输出端、信号地、电压基准电路的输出端、零位调试电压输出端、屏蔽地、电压放大电路3的正输入端、电压放大电路3的负输入端、电压放大电路3的输出端。
[0006]所述运算放大器N2A、N2B、N2C和N2D选择低功耗四通道运算放大器。电压基准电路I应选用低功耗的电压基准器件。
[0007]电压基准电路I的输出电压幅值通过如下方法确定:1^((3.8-1^12)XRb。其中Uo为电压基准的输出电压，Rb敏感电桥2的最小内阻值，I1为四通道运算放大器的最大静态消耗电流，12为设电压基准的最大静态消耗电流。
[0008]所述固定电阻器R2、R3、R4……R13、R14选用低电感量的电阻器件，其中电阻值R3= R4^50kQ，R5 = R6 = R7 = R8 彡 1kQ，R9 = R10，R11 = R12，应满足 R13彡0.I % XRll，并且R13彡 100Ω。
[0009]确定零位调整基准固定电阻器R2电阻值取值范围的计算方法为:1^2^(3.8-^-12-Uo/Rb)ο
[0010]根据电流转换电路4中预置的各固定电阻器的电阻值，计算电压放大电路3输出端Vout的电压值Uout，计算方法为:Uout =(1maxXR13)X R9/R12。其中I _x为压力传感器的最大输出电流幅值。
[0011]电压放大电路3的放大倍数A= Uout/(Vs X Uo)，其中压力敏感电桥的输出电压灵敏度为Vs，电压放大电路3的放大倍数A应不大于150;如果电压放大电路3的放大倍数A不满足要求，则应重新更改电流转换电路4中固定电阻器预置的电阻值，具体方法为:保持R11、R12、R13的电阻值不变，同步减小R9、R10的电阻值，直至使电压放大电路3的放大倍数AS150。
[0012]根据运算放大器的最大输入失调电流Ib和最大输入偏置电流Iqs，以及敏感电桥的最小零位输出电压Ubmin，确定放大倍数调整电阻器RlOO的最大取值范围。计算方法如下:R10^Ubmin/(Ib+1s)。
[0013]在调试时，将压力敏感电桥的输出保持在零位输出，保持RlOO为最大值不变，调整R200的阻值，使压力传感器电路的输出电流值为4mA，观察电流值的跳变情况。在上述条件下，将瓷介电容器C3、C4的电容量从0.0 IuF逐渐，直至输出稳定后，再继续将C3、C4的电容量增大50%，作为C3、C4电容量的最终取值。
[0014]压力传感器电路的调试方法，具体过程如下:步骤1、选择电压基准电路I中低功耗精密器件运算放大器和电压基准，步骤2、测定敏感电桥2最小内阻值，步骤3、确定电压基准电路I中电压基准的输出电压幅值，步骤4、确定电压基准电路I中零位调整基准固定电阻器的电阻值，通过步骤1、2、3、4分别确定的主要器件、压基准的输出电压幅值取值范围、零位调整基准固定电阻器R2电阻值的取值范围，保证压力传感器电路的静态消耗电流小于3.8mA，满足压力传感器的调试要求;步骤5、预置电流转换电路4中固定电阻器的电阻值，使电压信号放大更为精确，提高电流转换电路4的输出阻抗;步骤6、计算电压放大电路3输出端Vout的电压值，步骤7、确定电压放大电路3的放大倍数，步骤8、确定电压放大电路3中放大倍数调整电阻器的最大取值，步骤9、选定电压放大电路3中用于差动放大的两个运算放大器的负反馈固定电阻器的电阻值取值范围，通过步骤6、7、8、9实现电压放大电路3中放大倍数调整电阻器的最大取值、电压放大电路3中用于差动放大的两个运算放大器的负反馈固定电阻器的电阻值取值范围，使运算放大器工作在最佳状态，减小由于运算放大器的输入失调电流和偏置电流对微弱信号放大的影响，提高放大电压的稳定性;步骤10、选定电压放大电路3中其余固定电阻器的电阻值;步骤11、确定电压放大电路3中用于差动放大的两个运算放大器的负反馈电容器的电容值，以保证放大电路3工作在稳定状态，避免输出电压的波动而影响压力传感器的输出；步骤12、确定电路中其它元器件的参数;步骤13、调整电压基准电路I中零位调整可变电阻器和电压放大电路3中放大倍数调整电阻器的电阻值，使压力传感器的零位输出和最大压力时输出值满足要求。
[0015]本发明具有有益效果是:本发明压力传感器包括电路电压基准电路1、敏感电桥2、电压放大电路3、电流转换电路4四部分。该压力传感器电路通过合理选择电压基准、运算放大器等主要器件，降低惠斯登压力敏感电桥的供电电压、增大零位电压分压调整电阻器的阻值，使传感器信号调理电路的静态消耗电流不大于3.8mA，从而满足压力传感器的调试要求;通过在合理确定三运放仪表放大电路的放大倍数、确定电压放大电路中负反馈电阻器上的并联瓷介电容器的容量，实现对压力敏感电桥微弱信号的高倍数放大，同时使电路具有良好地稳定性。本发明提供的压力传感器电路及其调试方法，可以实现对溅射薄膜压力敏感电桥等低灵敏度敏感电桥输出信号的放大，实现4mA?20mA两线制标准电流信号输出，具有静态消耗电流小，工作稳定，精度高的特点。
【附图说明】
[0016]图1是本发明压力传感器电路结构示意图；
[0017]图2是本发明压力传感器调试方法流程图；
[0018]其中:I一电压基准电路，2—敏感电桥，3—电压放大电路，4一电流转换电路。
【具体实施方式】
[0019]下面结合说明书附图1对本发明作进一步详细说明。
[0020]如图1所示，压力传感器电路包括电压基准电路1、敏感电桥2、电压放大电路3、电流转换电路4四部分;压力传感器电路包括电气节点￥0:、1(^、36冊、￥+、￥代€4&代11、+￥111、-Vin和Vout;电压基准电路I与节点VCC、IQUT、SGND、V+、Vref和Earth相连接，敏感电桥2通过节点SGND、V+与电压基准电路I连接，敏感电桥2通过节点+Vin、-Vin与电压放大电路3连接，电压放大电路3通过节点V+、SGND、Vref与电压基准电路I连接，电压放大电路3通过节点Vout与电流转换电路4连接，电流转换电路4通过节点V+、SGND与电压基准电路I连接。
[0021]电压基准电路I为电源转换电路，包括三端滤波器Zl和Z2，开关二极管Dl，固定电阻器Rl和R2，瞬变电压抑制二极管D2，电容器Cl、C2和C3，电压基准N1、可调电阻器R200。电压基准电路I包含六个电气节点电源正端VCC、电流输出端I out、信号地SGND、电压基准输出端V+、零位可调电压Vref和屏蔽地Earth。三端滤波器ZI的输入端连接节点VCC，三端滤波器ZI的输出端连接开关二极管DI的正极端;三端滤波器Z2的输出端连接I out ；三端滤波器Z1、Z2的接地端均与节点Earth连接;固定电阻器Rl的一端连接开关二极管DI的负极端，另一端同时连接瞬变电压抑制二极管D2的负极端、电容Cl和C2的一端、电压基准NI的电源输入端；三端滤波器Z2的输出端、连接瞬变电压二极管D2的正极端、电容器Cl和C2的另一端、电压基准NI的电源负端连接均与节点SGND连接。固定电阻器R2的一端与节点V+连接，另一端与节点Vref连接;可变电阻器R200的一端与节点Vref连接，另一端与节点SGND连接。电压基准电路I的功能是将电源电压经电源输入端VCC和电流输出端电流输出端I chit通过三端滤波器ZI和Z2，开关二极管Dl，固定电阻器Rl，瞬变电压抑制二极管D2，电容器Cl、C2和C3等器件处理后，输入给电压基准器件，电压基准器件通过节点V+输出高精度的基准电压，给敏感电桥2、电源放大电路3和电流转换电路4提供工作电压，同时，利用电压基准电路I输出的高精度基准电压通过固定电阻器R2和可调电阻器R200进行分压，以提供可调节的高精度电压，通过节点Vref输入给电压放大电路3，用于调整电压放大电路3的零位输出电压。
[0022]惠斯登压力敏感电桥2为四臂力敏电桥，具有a、b、c、d四个节点，节点a为电桥的输出正端，节点b为电桥的电源正端，节点c为电桥的输出负端，节点d为电桥的电源负端。节点b与电压基准电路I的节点V+连接，节点d与电压基准电路2节点SGND连接。惠斯登压力敏感电桥2用于将压力传感器输入的压力信号转换成为电信号，通过节点a和节点c输出差动电压信号。
[0023]电压放大电路3为改进的三运放仪表放大电路，电压放大电路3包括运算放大器N2A、N2B和N2C，固定电阻器R3、R4、R5、R6、R7和R8，电容器C4、C5和C6，可变电阻器Rl 00。节点+Vin与惠斯登压力敏感电桥2的节点a连接，节点-Vin与惠斯登压力敏感电桥2的节点c连接;运算放大器N2A的正输入端与节点+Vin连接，运算放大器N2A的输入端与固定电阻器R4和电容器C4的一端连接，运算放大器N2A的输出端与固定电阻器R4和电容器C4的另一端连接。运算放大器N2B的正输入端与节点-Vin连接，运算放大器N2B的输入端同时与固定电阻器R3和电容器C5的一端连接，运算放大器N2B的输出端同时与固定电阻器R3和电容器C5的另一端连接。可变电阻器RlOO的一端与运算放大器N2A的负输入端连接，可变电阻器RlOO的另一端与运算放大器N2B的负输入端连接。电阻器R5的一端与运算放大器N2A的输出端连接，电阻器R5的另一端与运算放大器N2C的负输入端连接。电阻器R6的一端与电压基准电路I的节点Vref连接，电阻器R6的另一端与运算放大器N2C的正输入端连接。电阻器R7的一端与运算放大器N2B的输出端连接，电阻器R7的另一端与运算放大器N2C的正输入端连接。运算放大器N2C的负输入端分别与电阻器R8和电容器C6的一端连接，运算放大器N2C的输出端分别与电阻器R8和电容器C6的另一端连接。节点Vout与运算放大器N2C的输出端连接。运算放大器N2A、N2B、N2C的电源正端与节点V+连接，运算放大器N2A、N2B、N2C的电源负端与节点SGND连接。电压放大电路3是通过上述器件实现将敏感电桥2输出的差动电压信号进行放大后，通过节点Vout输入给电流转换4，通过R200实现对放大倍数的调整。电压放大电路3中C4、C5分别并联在运算放大器N2A、N2B负反馈电阻器R3、R4上，主要作用是当压力敏感电桥2输出的差动电压信号较小时，消除电压放大过程中的噪声和干扰信号。
[0024]电流转换电路4为改进的Howland电流栗电路，包括运算放大器N2D，固定电阻器尺9、1?10、1?11、1?12、1?13和1?14，电容器07和08，三极管03。固定电阻器1?9的一端与电压放大电路3的节点Vout连接，固定电阻器R9的另一端与运算放大器N2D的正输入端连接，并与固定电阻R12的一端连接。固定电阻器RlO的一端与节点SGND连接；固定电阻器RlO的另一端与运算放大器N2D的负输入端连接。固定电阻器RU的一端与电容器Cll的一端连接，并与运算放大器N2D的负输入端连接在一起;固定电阻器Rll的另一端与电容器Cll的另一端连接，并与固定电阻器Rl 3的一端、电容器C8的一端、三极管D3的发射极连接在一起。固定电阻器Rl 3的另一端与节点SGND，并与固定电阻R12的另一端连接；电容器C8的另一端与三极管D3的基极连接，并与运算放大器N2D的输出端连接在一起；固定电阻器R14的一端与三极管D3的集电极连接，固定电阻器R14的另一端与节点V+连接。运算放大器N2D的电源正端与节点V+连接，运算放大器N2D的电源负端与节点SGND连接；电流转换电路4是实现将放大电路3输出电压进一步放大，并转换成比例的电流信号输出。
[0025]本发明压力传感器电路的调试方法，结合图2压力传感器调试方法流程图，对具体实施过程作如下详细说明:
[0026]步骤I:
[0027]根据图1电路选择低功耗精密器件运算放大器和电压基准，以保证压力传感器电路的静态消耗电流小于3.8mA，满足两线制4mA?20mA电流输出的条件；
[0028]运算放大器的选择条件为:低静态消耗电流:所述运算放大器N2A、N2B、N2C和N2D四运算放大器的最大静态消耗电流总和为I1;允许在单电源，低电压输入条件下正常工作；输出电压幅值尽可能接近工作电源电压，轨对轨运算放大器尤为适用；
[0029]电压基准的选择条件为:低静态消耗电流，设电压基准的最大静态消耗电流为I2;输出电压幅值可通过输出引脚编程或者可调整;输出电压具有高精度的特点；
[0030]步骤2:
[0031]在敏感电桥不同通电的情况下，在最大工作范围内，测定敏感电桥的最小内阻值R(B)，作为确定电压基准输出电压幅值计算的依据；
[0032]步骤3:
[0033]电压基准的输出电压幅值取值范围的计算方法为=Uo(Uj-11-12) XRb;
[0034]步骤4:
[0035]为了保证压力传感器电路的静态消耗电流不大于3.8mA以满足所述压力传感器电路具有可调试的条件。则有确定零位调整基准固定电阻器R2电阻值的取值范围为:R2X
3.8_Ii_I2_Uo/Rb) ο
[0036]通过步骤1、2、3、4分别确定的主要器件、压基准的输出电压幅值取值范围、零位调整基准固定电阻器R2电阻值的取值范围，保证了压力传感器电路的静态消耗电流小于3.8mA，满足压力传感器的调试要求。
[0037]步骤5:
[0038]预置电流转换电路4中主要固定电阻器的电阻值，应满足以下条件:R9= R10，R11= R12，R11、R12的电阻值远大于R13，应满足R13彡0.1% XR11，并且R13彡100Ω。
[0039]R9和R10、R11和R12的匹配使电压信号放大更为精确，R13彡0.1%XR11，目的是提高电流转换电路4的输出阻抗。
[0040]步骤6:
[0041]根据电流转换电路4的上述预置的各固定电阻器的电阻值，计算压力传感器满量程输出时，电压放大电路3输出端Vout的电压值计算式为:Uout= ( 1max X R13) X R9/R12。其中1max为压力传感器的最大输出电流幅值。
[0042]步骤7:
[0043 ]根据压力敏感电桥的输出灵敏度，确定电压放大电路3的放大倍数。设压力敏感电桥的输出电压灵敏度为Vs，则电压放大电路3的放大倍数A = Uout/(Vs X Uo)。电压放大电路3的放大倍数A应不大于150。
[0044]如果不满足上述要求，则应重新按照步骤5更改电流转换电路4中固定电阻器预置的电阻值，具体放大时适当减小R9的阻值。
[0045]步骤8:
[0046]根据运算放大器的最大输入失调电流Ib和最大输入偏置电流Iqs，以及敏感电桥的最小零位输出电压Ubmin，确定放大倍数调整电阻RlOO的最大取值。计算方法如下:R100SUbmin/ (Ib+1s)。
[0047]步骤9:
[0048]根据电压放大电路3的放大倍数A和放大倍数调整电阻R100，计算固定电阻器R3、R4的电阻值取值范围，计算方法为:R3 = R4彡RlOO X (A-1)/2。
[0049]通过步骤8控制RlOO的阻值范围、步骤9控制R3和R4的取值范围，使运算放大器工作在最佳状态，减小由于运算放大器的输入失调电流和偏置电流对微弱信号放大的影响，提尚放大电压的稳定性。
[0050]步骤IO:
[0051 ]选定电压放大电路3中其余固定电阻器的电阻值。应满足以下条件:R5 = R6 = R7 =R8彡1kQ。
[0052]步骤11:
[0053]在调试时，将压力敏感电桥的输出保持在零位输出，保持RlOO为最大值不变，调整R200的阻值，使压力传感器电路的输出电流值为4mA，观察电流值的跳变情况。在上述条件，从瓷介电容器C3 = C4 = 0.01uF逐渐增加C3、C4的电容量，直至输出稳定后，再将C3、C4的电容量增大50%，作为C3、C4电容量的最终取值，以保证放大电路3工作在稳定状态，避免输出电压的波动而影响压力传感器的输出。
[0054]步骤12:
[0055]根据压力传感器的电磁兼容性等要求确定电路中其它元器件的参数，如Zl、Z2、D1、D2、C1、C2、R1、R14等器件的规格和参数。
[0056]步骤13:
[0057]通过调整可变电阻器RlOO和R200，使压力传感器的零位输出为4mA，最大压力时输出为20mA。
[0058]实施例
[0059]如图2所示，敏感电桥2选用溅射薄膜压力敏感电桥，其输出灵敏度为1.5mV，敏感电桥的桥阻最小值为3.2k Ω，最小零位输出电压为0.lmV，实施步骤如下:
[0060]步骤1、选择低功耗精密器件运算放大器和电压基准:
[0061]根据图1电路选择主要低功耗精密器件运算放大器和电压基准。
[0062]运算放大器的选择条件为:低静态消耗电流:所述运算放大器N2A、N2B、N2C和N2D四运算放大器的最大静态消耗电流总和为I1,则应有I1Sl.5mA;允许在单电源，低电压输入条件下正常工作;输出电压幅值尽可能接近工作电源电压，轨对轨运算放大器尤为适用。如选择轨对轨四通道运算放大器0P491或者ADA4091-4等低功耗四通道运算放大器，可满足调试要求。
[0063]电压基准的选择条件为:低静态消耗电流，设电压基准的最大静态消耗电流为12，则应有I2Sl.2mA;输出电压幅值可通过输出引脚编程或者可调整;输出电压具有高精度的特点。如可编程高精度电压基准AD584。
[0064]步骤2、测定敏感电桥的最小内阻值:
[0065]在敏感电桥不同通电的情况下，在最大工作范围内，测定敏感电桥的最小内阻值Rb ο
[0066]选用的溅射薄膜压力敏感电桥，在工作温度范围内的最小内阻值R(B)= 3.2kQ。
[0067]步骤3、确定电压基准的输出电压幅值:
[0068]通过计算式确定电压基准的输出电压幅值:1^((3.8-^-12) XRb。
[0069]步骤I选择的轨对轨四通道运算放大器0P491，其最大静态消耗电流I1Sl.2mA;可编程高精度电压基准AD584，其最大静态消耗电流I2Sl.0mA。而敏感电桥的最小内阻值R(B)= 3.2kQ，则有Uo<(3.8-11-12) XR(b) = 5.12V。
[0070]可编程高精度电压基准AD584的输出电压选择为Uo = 5V。
[0071]步骤4、确定零位调整基准固定电阻器R2的电阻值:
[0072]确定零位调整基准固定电阻器R2的电阻值。为了保证压力传感器电路的静态消耗电流不大于3.8mA以满足所述压力传感器电路具有可调试的条件。则有:1^23(3.8-1^12-Uo/Rb)ο
[0073]根据上述可确定的参数，可确定R2多133kΩ，可取R2 = 200kQ。
[0074]步骤5、预置电流转换电路4中主要固定电阻器的电阻值；
[0075]预置电流转换电路4中主要固定电阻器的电阻值，应满足以下条件:R9= R10，R11= R12，R11、R12的电阻值远大于R13，一般应满足R13彡0.1% XR11，并且R13彡100Ω。
[0076]按照上述条件预置电流转换电路4中主要固定电阻器的电阻值，如取R9 = R10 =47kΩ ,Rll=R12 = 200kQ ,R13 = 150Q。
[0077 ]步骤6、计算电压放大电路(3)输出端Vout的电压值:
[0078]根据电流转换电路4的上述预置的各固定电阻器的电阻值，计算压力传感器满量程输出时，电压放大电路(3)输出端Vout的电压值计算式为:Uout = (I (OMAX) X Rl3) X R9/R12。其中Ι(_ο为压力传感器的最大输出电流幅值，I(_o = (20-4)mA=16mA。
[0079]则Uout= (I(C)MAx) XR13) XR9/R12 = 564mV。
[0080]步骤7、确定电压放大电路3的放大倍数:
[0081 ]根据压力敏感电桥的输出灵敏度，确定电压放大电路3的放大倍数。设压力敏感电桥的输出电压灵敏度为Vs，则电压放大电路3的放大倍数A = Uout/(Vs X Uo)。电压放大电路3的放大倍数A应不大于150。
[0082]如果不满足上述要求，则应重新按照步骤5更改电流转换电路4中固定电阻器预置的电阻值，具体放大时适当减小R9的阻值。
[0083]上述采用的溅射薄膜压力敏感电桥，输出电压的灵敏度为1.5mV/V，则根据上式可计算电压放大电路3的放大倍数A = Uout/(Vs XUo) =75.2< 150，满足设计要求。
[0084]步骤8、确定放大倍数调整电阻RlOO的最大取值:
[0085]根据运算放大器的最大输入失调电流Ib和最大输入偏置电流1s，以及敏感电桥的最小零位输出电压U(BM1n)，确定放大倍数调整电阻RlOO的最大取值范围。计算方法如下:R10^Ubmin/(Ib+1s)。
[0086]查询0P491数据表可知:运算放大器的最大输入失调电流IB= 95nA，最大输入偏置电流1s = 22nA。测量上述采用的溅射薄膜压力敏感电桥在工作电压Uo条件下，最小输出电压Ubmin=0.ImV0
[0087]放大倍数调整电阻1?100彡1](麗迅)/(18+105)=854.7 0。
[0088]步骤9、确定固定电阻器R3、R4的取值范围:
[0089]根据电压放大电路3的放大倍数A和放大倍数调整电阻R100，计算固定电阻器R3、R4的电阻值，计算方法为:R3 = R4彡RlOO X (A-1)/2。
[0090]根据前述步骤确定的参数:A = 75.2，R100彡854.7Ω，计算得:R3 = R4=彡RlOO X(A-l)/2 = 31.709kQ。
[0091]根据上述计算值，考虑保持电路的稳定裕度，取R3= R4 = 15kQ。
[0092]步骤10、选定电压放大电路3中其余固定电阻器的电阻值:
[0093]选定电压放大电路3中其余固定电阻器的电阻值，应满足以下条件:R5= R6 = R7 =R8彡1kQ。
[0094]选择肋=1?6= 1?7 = 1?8 = 2001^。
[0095]步骤11、确定电容器C3、C4的电容量:
[0096]在调试时，将压力敏感电桥的输出保持在零位输出，保持RlOO为最大值不变，调整R200的阻值，使压力传感器电路的输出电流值为4mA，观察电流值的跳变情况。在上述条件，从瓷介电容器C3 = C4 = 0.01uF逐渐增加C3、C4的电容量，直至输出稳定后，再将C3、C4的电容量增大50 %。
[0097]根据上述方法，当C3 = C4 = 0.47uF时，零位电流输出稳定；因此最终选取C3 = C4 =IuF0
[0098]步骤12，确定电路中其它元器件的参数:
[0099]根据压力传感器的电磁兼容性等其它确定电路中其它元器件的参数，如Zl、Z2、D1、D2、C1、C2、R1、R14等器件的规格和参数。
[0100]步骤13、调整可变电阻器RlOO和R200:
[0101]通过调整可变电阻器RlOO和R200，使压力传感器的零位输出为4mA，最大压力时输出为20mA。
[0102]通过验证，按照上述电路结构及调试方法设计的压力传感器，具有良好的稳定性，在(-40?70) °C温度范围内综合误差均小于± I %。
【主权项】
1.一种压力传感器电路，其特征在于:包括电压基准电路(I)、敏感电桥(2)、电压放大电路(3)、电流转换电路(4)四部分，其中，压力传感器包括电气节点￥(:(:、1_、56腸、￥+、Vref、Earth、+Vin、-Vin和Vout ；电压基准电路(I)与节点VCC、1uT、SGND、V+、Vref和Earth相连接，敏感电桥(2)通过节点SGND、V+与电压基准电路(I)连接，敏感电桥(2)通过节点+Vin、-Vin与电压放大电路(3)连接，电压放大电路(3)通过节点V+、SGND、Vref与电压基准电路(I)连接，电压放大电路(3)通过节点Vout与电流转换电路(4)连接，电流转换电路(4)通过节点V+、SGND与电压基准电路(I)连接，其中，所述电气节点VCC、IQUT、SGND、V+、Vref、Earth、+Vin、-Vin、Vout的电气定位分别为压力传感器的电源输入端、压力传感器的电流输出端、信号地、电压基准电路的输出端、零位调试电压输出端、屏蔽地、电压放大电路(3)的正输入端、电压放大电路(3)的负输入端、电压放大电路(3)的输出端。2.根据权利要求1所述的压力传感器电路，其特征在于，所述运算放大器N2A、N2B、N2C和N2D为低功耗运算放大器，电压基准电路(I)选用低功耗的电压基准器件。3.根据权利要求2所述的压力传感器电路，其特征在于，电压基准电路(I)的输出电压幅值通过如下方法确定:Uo(UJ-11-12)XRb,其中Uo为电压基准的输出电压，Rb为敏感电桥(2)的最小内阻值，1:为四通道运算放大器的最大静态消耗电流，I2为设电压基准的最大静态消耗电流。4.根据权利要求2所述的压力传感器电路，其特征在于，所述固定电阻器R2、R3、R4……R13、R14选用低电感量的电阻器件，其中电阻值R3 = R4彡50kQ，R5 = R6 = R7 = R8彡1k Ω，R9 = R10，R11=R12，满足R13彡0.1% XR11，并且R13彡100Ω。5.根据权利要求4所述的压力传感器电路，其特征在于，确定零位调整基准固定电阻器R2电阻值范围的计算方法为:R2彡(3.8-11-12-Uo/Rb)。6.根据权利要求5所述的压力传感器电路，其特征在于，根据电流转换电路(4)中预置的各固定电阻器的电阻值，计算电压放大电路(3)输出端Vout的电压值Uout，计算方法为:Uout = (IcmaxXR13) XR9/R12，其中I(OMAX)为压力传感器的最大输出电流幅值。7.根据权利要求6所述的压力传感器电路，其特征在于，电压放大电路(3)的放大倍数A= Uout/(Vs XUo)，其中压力敏感电桥的输出电压灵敏度为Vs，电压放大电路(3)的放大倍数A应不大于150;如果电压放大电路(3)的放大倍数A不满足要求，则应重新更改电流转换电路(4)中固定电阻器预置的电阻值，具体方法为:保持R11、R12、R13的电阻值不变，同步减小R9、RlO的电阻值，直至使电压放大电路(3)的放大倍数AS 150。8.根据权利要求7所述的压力传感器电路，其特征在于，根据运算放大器的最大输入失调电流Ib和最大输入偏置电流I os，以及敏感电桥的最小零位输出电压Ubmin，确定放大倍数调整电阻RlOO的最大取值范围，计算方法如下:RlOO彡Ubmin/(Ib+1s)。9.根据权利要求8所述的压力传感器电路，其特征在于:在调试时，将压力敏感电桥的输出保持在零位输出，保持RlOO为最大值不变，调整R200的阻值，使压力传感器电路的输出电流值为4mA，观察电流值的跳变情况，在上述条件，从瓷介电容器C3 = C4 = 0.0I uF逐渐增加C3、C4的电容量，直至输出稳定后，再将C3、C4的电容量增大50%，作为C3、C4电容量的最终取值。10.—种基于权利要求1所述的压力传感器的调试方法，其特征在于，具体过程如下:步骤1、选择电压基准电路(I)中低功耗精密器件运算放大器和电压基准，步骤2、测定敏感电桥(2)最小内阻值，步骤3、确定电压基准电路I中电压基准的输出电压幅值，步骤4、确定电压基准电路(I)中零位调整基准固定电阻器的电阻值，通过步骤1、步骤2、步骤3、步骤4分别确定的主要器件、压基准的输出电压幅值取值范围、零位调整基准固定电阻器R2电阻值的取值范围，保证压力传感器电路的静态消耗电流小于3.8mA，满足压力传感器的调试要求；步骤5、预置电流转换电路(4)中固定电阻器的电阻值，使电压信号放大更为精确，提高电流转换电路(4)的输出阻抗;步骤6、计算电压放大电路(3)输出端Vout的电压值，步骤7、确定电压放大电路3的放大倍数，步骤8、确定电压放大电路(3)中放大倍数调整电阻器的最大取值，步骤9、选定电压放大电路3中用于差动放大的两个运算放大器的负反馈固定电阻器的电阻值取值范围，通过步骤6、7、8、9实现电压放大电路(3)中放大倍数调整电阻器的最大取值、用于差动放大的两个运算放大器的负反馈固定电阻器的电阻值取值范围，使运算放大器工作在最佳状态，减小由于运算放大器的输入失调电流和偏置电流对微弱信号放大的影响，提高放大电压的稳定性;步骤10、选定电压放大电路(3)中其余固定电阻器的电阻值;步骤11、确定电压放大电路(3)中用于差动放大的两个运算放大器的负反馈电容器的电容值，以保证放大电路(3)工作在稳定状态，避免输出电压的波动而影响压力传感器的输出；步骤.12、确定电路中其它元器件的参数;步骤13、调整电压基准电路(I)中零位调整可变电阻器和电压放大电路(3)中放大倍数调整电阻器的电阻值，使压力传感器的零位输出和最大压力时输出值满足要求。
【文档编号】G01L1/22GK105973509SQ201610296426
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】徐阳辉, 樊佩生, 王辉
【申请人】武汉航空仪表有限责任公司