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LCR电桥测量基础知识|苏州仪器网

LCR电桥测量基础知识

LCR电桥测量基础知识

LCR电桥测量基础知识

LCR电桥是精密测量电阻或其他模拟量的一种有效的方法。本文介绍了如何实现具有较大信号输出的硅应变计与模数转换器(ADC)的接口,特别是Σ-Δ ADC,当使用硅应变计时,它是一种实现压力变送器的低成本方案

硅应变计

1硅应变计的优点在于高灵敏度,它通过感应由应力引发的硅材料体电阻变化来检测压力。相比于金属箔或粘贴丝式应变计,其输出通常要大一个数量级。这种 硅应变计的输出信号较大,可以与较廉价的电子器件配套使用。但是,这些小而脆器件的安装和连线非常困难,因而增加了成本,限制了它们在粘贴式应变计应用中 的使用。


2不过,用MEMS工艺制作的硅压力传感器却克服了这些弊病。这种MEMS压力传感器采用了标准的半导体工艺和特殊的蚀刻技术。这种特殊的蚀刻技术可 选择性地从晶圆的背面除去一部分硅,从而生成由坚固的硅边框包围的、数以百计的方形薄膜。而在晶圆的正面,每一个小薄膜的每个边上都植入了一个压敏电阻, 用金属线把小薄片周边的四个电阻连接起来就形成一个惠斯登电桥。最后,使用钻石锯从晶圆上锯下各个传感器。这时,硅传感器已经初具形态,但还需要配备压力 端口和连接引线方可使用。这些小传感器便宜而且相对可靠,但受温度变化影响较大,而且初始偏移和灵敏度的偏差很大。  

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压力传感器实例

1在此给出一个压力传感器的实例,其所涉及的原理适用于任何使用类似电桥的传感器。公式1给出了一个原始的压力传感器的输出模型。其中,VOUT在给定压力P下具有很宽的变化范围,不同传感器在同一温度下,或者同一传感器在不同温度下,其VOUT 有所不同。因此要提供一个一致的、有意义的输出,每个传感器都必须进行校正,以补偿器件之间的差异和温度漂移。长期以来,校准都是通过模拟电路进行的。然 而,现代电子学的进展使得数字校准比模拟校准更具成本效益,而且其准确性也更好。此外,利用一些模拟技术“窍门”,可以在不牺牲精度的前提下简化数字校准。


 VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) 1

 

2.、式中,VOUT为电桥输出,VB是电桥的激励电压,P是外加压力,T0是参考温度,S0T0温度下的灵敏度,S1是灵敏度的温度系数(TCS)U0是在无压力情况下电桥在温度T0时的输出偏移量(或失衡),而U1则是偏移量的温度系数(OTC)。公式(1)使用一次多项公式来对传感器进行建模,而有些应用场合可能会用到高次多项公式、分段线性技术或者分段二次逼近模型,并为其中的系数建立一个查寻表。无论使用哪种模型,数字校准时都要对VOUTVBT进行数字化,同时要采用某种方公式来确定全部系数并进行必要的计算。公式(2)由公式(1)变化所得,从中可清楚地看到,通过数字计算(通常由微控制器(MCU)执行)而输出精确压力值所需的信息。


P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0))  (2)


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电压驱动



1 该电路直接测量计算实际压力所需的变量(激励电压、温度和电桥输出)

在图1所示的电路中,一个高精度ADC先对VOUT (AIN1/AIN2)、温度(AIN3/AIN4)VB (AIN5/AIN6)进行数字化,这些测量值随后被传送到MCU,在那里转换成实际的压力。电桥直接由电源驱动,电源同时也为ADC、电压基准源和MCU供电。电阻公式温度检测器Rt用来测量温度,ADC内的输入复用器同时测量电桥、RTD和电源电压。为确定校准系数,整个系统(或至少是RTD和电桥)被放到恒温箱里,在多个不同温度下进行测量。测量数据通过测试系统进行处理,以确定校准系数,最终的系数被下载到MCU并存储到非易失性存储器中。

设计该电路时主要考虑的是动态范围和ADC的分辨率,最低要求取决于具体应用和所选的传感器和RTD的参数。 在本例中,传感器的具体参数如下。

系统规格

满量程压力:100psi

压力分辨率:0.05psi

温度范围:-40+85

电源电压:4.755.25V

压力传感器规格

S0 (灵敏度): 150300μV/V/psi

S1(灵敏度的温度系数): 最大为-2500×10-6/

U0 (偏移): -3+3mV/V

U1 (偏移的温度系数): -15+15μV/V/

RB (输入电阻): 4.5kΩ

TCR (电阻温度系数): 1200×10-6/

RTD: PT100

o α: 3850×10-6/ 

o -40℃时的阻值: 84.27Ω

o 0℃时阻值: 100Ω

o 85℃时阻值: 132.80Ω

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