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微型压力传感器的温度补偿策略

压力传感器以惠斯通电桥的形式工作(见图 1),其中输出电压(Vout 跨度 = Vout+ – Vout-)对应压力水平,电桥电阻(R = (R1 + R2) * (R3 + R4)/(R1 + R2 + R3 + R4))反映温度水平。为获取这些信息,我们利用从膜片变形得出的数据进行各种电压输出测量。这种变形会同时影响所有四个电阻,改变它们的值以反映膜片变形程度,如图 2 所示。测量在已知的压力和温度条件下,在固定温度范围(从规定的最小值到最大值)内进行。

目标

本指南旨在概述测量和补偿温度影响的策略。以下是您可在自己的设备上实施的四种方法概述:

  1. 4 线技术
  2. 6 线技术 – 电流驱动的压力传感器
  3. 6 线技术 – 电压驱动的压力传感器
  4. 6 线技术 – 通过传感器盒由电压驱动的压力传感器

每种方法都有独特的优势,适用于特定应用,确保在不同环境条件下实现精确的压力测量。

压力传感器惠斯通电桥-4 线
图1:压力传感器惠斯通电桥 – 4 线
压力传感器MEMS 变形
图2:压力传感器MEMS 变形

4 线技术

当应用不需要高精度且 / 或无需承受较大温度变化时,此方法最为适用。在这种情况下,我们向用户提供一条曲线(图 3)。

所需设备:一个精确的电源和一个精确的电压表。

压力传感器输出电压与压力的关系
图 3:压力传感器输出电压与压力的关系

6 线技术(电流驱动传感器)

对于 6 线方法,在传感器上额外增加两根线,以便以 ±0.75°C 的精度进行温度测量。这些线通过在不同温度水平下进行测量来实现温度补偿。这种方法最为精确,还具备直接测量温度的能力。

惠斯通电桥电路图
图4:压力传感器惠斯通电桥 -6线

用惠斯通电桥电路图(图 4)能最好地说明这种方法。设置包括:

  • 2 根用于正电源的线
  • 2 根用于负电源的线
  • 2 根用于传感器输出的线

传感器输出线( 和 )直接与施加到传感器的压力水平相关联。这种配置确保了压力和温度测量的高精度,使其成为要求苛刻的应用的可靠解决方案。

子选项 1:带电流输入器的采集卡

在这种方法中,输入已知电流,并测量传感器的供电电压,以计算惠斯通电桥的电阻。该电阻提供有关温度的信息,并能够补偿其影响。采集方案如下所示。向用户提供两条曲线:

子选项 1惠斯通电桥电路
子选项 1惠斯通电桥电路

此曲线说明了传感器电阻与温度之间的关系,使用以下公式计算:

其中:R = Vsup * Iinjected,R 为传感器电阻;I 为注入电流;Vsup = Vsup+ – Vsup-(即传感器供电电压的测量值)。

  • 压力与输出电压曲线(图 6)

此曲线根据输出电压(Vout+ – Vout-)、传感器供电电压(Vsup)以及传感器温度(与电阻相关)提供压力信息。每个温度水平都有一条独特的曲线(Vout/Vsup,P)。因此,用户必须知道工作温度,以便将电桥预先平衡到适当的值。

所需设备:带电流输入器的采集卡。

子选项 2:不带电流输入器但带电流表的采集卡

子选项2惠斯通电桥电路
子选项2惠斯通电桥电路

在这种方法中,测量输入传感器的电流以及传感器的供电电压,以计算惠斯通电桥的电阻。该电阻提供有关温度的信息,并能够补偿其影响。采集方案如下所示。向用户提供两条曲线:

  • 温度与电阻曲线(图 5)

第一条曲线(图 5)根据传感器电阻提供有关温度的信息,该电阻使用公式计算:R = Vsup * Imeasured,R 为传感器电阻;I 为通过电流表测量的电流;Vsup = Vsup+ – Vsup-(即传感器的供电电压)。

  • 压力与输出电压曲线(图 6)

第二条曲线(图 6)根据输出电压(Vout+ – Vout-)、传感器供电电压(Vsup)的测量值以及与电阻相关的传感器温度提供有关压力的信息。对于每个温度水平,曲线(Vout/Vsup,P)都不同,这意味着用户应设置正确的温度。

所需设备:带电流输入器的采集卡。

子选项 3:不带电流输入器但带传感器盒的采集卡

子选项2惠斯通电桥电路
子选项2惠斯通电桥电路

作为使用电流输入器或电流表的替代方法,可以使用特定的传感器盒。该设备连接到采集卡的输入,并为传感器提供电压供应。其输出电压可用于确定流过传感器的电流。利用此信息和供电电压,可以计算传感器的电阻(惠斯通电桥)。该电阻可获取温度信息并有助于补偿其影响。采集方案如下所示。向用户提供两条曲线:

  • 温度与电阻曲线(图 5)

第一条曲线(图 5)根据传感器电阻提供有关温度的信息,该电阻使用公式计算:R = f (Vsup, Vsens) = (Vsup * Isens),R 为传感器电阻;Vsup = Vsup+ – Vsup–(即传感器供电电压的测量值);Vsens = sensorade 输出电压(代表电流的一个数值);Isens = 计算出的电流(由传感器盒给出的公式)。

  • 压力与输出电压曲线(图 6)

第二条曲线(图 6)根据输出电压(Vout+ – Vout-)、传感器供电电压(Vsup)的测量值以及与电阻相关的传感器温度提供有关压力的信息。对于每个温度水平,曲线(Vout/Vsup,P)都不同,这意味着用户应设置正确的温度。

这种特定的传感器盒具有可与无需电流输入器的采集系统配合使用的优势,为温度和压力补偿提供了一种通用且高效的解决方案。

所需设备:采集卡、传感器盒。

压力传感器电阻与温度的关系
图 5:压力传感器电阻与温度的关系
压力传感器输出电压与压力的关系
图 6:压力传感器输出电压与压力的关系

* 免责声明:所呈现的数据不具合同效力,且直接受所用材料质量、采集系统以及电源精度的影响。