CN115574989A - 一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路 - Google Patents

一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硅压阻式压力传感器温度补偿电路，包括：可调电压基准芯片，具有供电端Vi、输出端Vo、可调整电压引脚ADJ以及接地端GND；所述供电端Vi连接供电电源，输出端Vo连接惠斯通电桥的电源端，所述接地端GND接地；调节电路，由二极管D1、电阻R1和电阻Rf组成，所述二极管D1的阳极连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ，阴极则通过电阻R1连接所述可调电压基准芯片的接地端GND；所述电阻Rf的两端分别连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ和输出端Vo；即可通过调节所述电阻Rf和所述电阻R1的比值来补偿压力敏感芯体的灵敏度温漂，从而将压力敏感芯体的灵敏度温漂补偿到合格范围。

Description

一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路
【技术领域】
本发明涉及一种硅压阻式压力传感器，具体地说，是一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路。
【背景技术】
目前，市面上现有的压力传感器温度补偿方法主要分为模拟补偿和数字补偿两种，数字补偿主要由信号调理芯片完成；模拟补偿主要由NTC配合调节电路完成。由于NTC随温度变化趋势为指数单调递减，与调节电路构成电阻网络后，需要得到线性单调递减的电阻网络，对于灵敏度随温度变化呈折线型的压力敏感芯体难以补偿到合格范围。
【发明内容】
鉴于此，本发明要解决的技术问题，在于提供一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路，基于二极管和可调电压基准芯片组成温控电压源，使可调电压基准芯片输出电压随温度线性变化，从而将压力敏感芯体的灵敏度温漂补偿到合格范围。
为达到前述发明之目的，本发明实施例采取的技术方案是：一种硅压阻式压力传感器温度补偿电路，硅压阻式压力传感器的压力敏感芯体的内部结构等效于一个惠斯通电桥，由4个桥臂电阻Ra、Rb、Rc和Rd组成，其中Rb和Rd随输入压力的增大而增大，Ra和Rc随输入压力的增大而减小，S+和S-为惠斯通电桥的输出端，所述补偿电路包括：
可调电压基准芯片，具有供电端Vi、输出端Vo、可调整电压引脚ADJ以及接地端GND；所述供电端Vi连接供电电源，输出端Vo连接惠斯通电桥的电源端，所述接地端GND接地；
调节电路，由二极管D1、电阻R1和电阻Rf组成，所述二极管D1的阳极连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ，阴极则通过电阻R1连接所述可调电压基准芯片的接地端GND；所述电阻Rf的两端分别连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ和输出端Vo；
则Vo＝VADJ+Rf*(VADJ-VD1)/R1；
通过所述二极管D1使所述可调电压基准芯片的输出端Vo的电压随温度升高而增大，通过调节所述电阻Rf和所述电阻R1的比值来补偿压力敏感芯体的灵敏度温漂。
进一步的，本发明实施例还包括分压电阻Rt，所述分压电阻Rt的一端连接所述可调电压基准芯片的输出端Vo，另一端则连接所述惠斯通电桥的桥臂电阻Ra与Rb之间。
进一步的，所述补偿电路还包括固定电阻R2、R3、R4和R5；R2的第一端接惠斯通电桥的输出端S+，第二端接地；R3的第一端接惠斯通电桥的输出端S-，第二端接地；R4串联在惠斯通电桥上，第一端与桥臂电阻Rd的一端连接，第二端接地；R5串联在惠斯通电桥上，第一端与桥臂电阻Rc的一端连接，第二端接地；R2和R3用于补偿压力传感器的零点温漂，增大R4使压力传感器的输出零点增大；增大R5使压力传感器的输出零点减小。
本发明的优点在于：本发明的硅压阻式压力传感器温度补偿电路用二极管和可调电压基准芯片用于补偿，补偿计算简单，充分利用了可调电压基准芯片的特性，灵敏度补偿不需要使用运放，当输出不需要额外放大电路时，补偿电路可以不用运放。零点温漂及零点补偿电路简单，输出灵活多变。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明硅压阻式压力传感器温度补偿电路的结构示意图。
图2是本发明一实施例灵敏度温漂的补偿原理示意图。
图3是本发明灵敏度温漂的补偿效果曲线示意图。
【具体实施方式】
本发明实施例通过提供一种硅压阻式压力传感器温度补偿电路，基于线性PTC和可调电压基准芯片组成温控电压基准源，并通过对可调电压基准芯片的外围电路改进创新，使电压基准芯片输出电压随温度线性变化，用于补偿压力敏感芯体的灵敏度温漂，通过在惠斯通电桥上串并电阻调节零点和零点温漂。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
请参阅图1所示，本发明的一种硅压阻式压力传感器温度补偿电路，硅压阻式压力传感器的压力敏感芯体的内部结构等效于一个惠斯通电桥，由4个桥臂电阻Ra、Rb、Rc和Rd组成，其中Rb和Rd随输入压力的增大而增大，Ra和Rc随输入压力的增大而减小，S+和S-为惠斯通电桥的输出端，所述补偿电路包括：
可调电压基准芯片，具有供电端Vi、输出端Vo、可调整电压引脚ADJ以及接地端GND；所述供电端Vi连接供电电源，输出端Vo连接惠斯通电桥的电源端，所述接地端GND接地；
调节电路，由二极管D1、电阻R1和电阻Rf组成，所述二极管D1的阳极连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ，阴极则通过电阻R1连接所述可调电压基准芯片的接地端GND；所述电阻Rf的两端分别连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ和输出端Vo；
则Vo＝VADJ+Rf*(VADJ-VD1)/R1；
通过所述二极管D1使所述可调电压基准芯片的输出端Vo的电压随温度升高而增大，通过调节所述电阻Rf和所述电阻R1的比值来补偿压力敏感芯体的灵敏度温漂。
如图2所示，调节电路R1、Rf、D1和可调电压基准芯片组成温控电压基准电路，提供电压随温度线性变化的温控电压基准，用于补偿压力传感器的灵敏度温漂。可调电压基准芯片以GED1763S8芯片为例(但不必限定是该芯片)，VADJ＝1.33V，Vo＝VADJ+Rf*(VADJ-VD1)/R1＝1.33+RF*(1.33-VD1)/R1，通过调节Rf和R1的比值，可以调节电压基准电路的输出电压。D1是二极管，根据二级管导通压降的温度特性，其导通压降随温度升高而降低，可以使电压基准电路的输出电压Vo随温度升高而增大。调节合适的Rf和R1的比值，可以补偿压力传感器的灵敏度温漂。
再如图1所示，所述补偿电路还包括固定电阻R2、R3、R4和R5；R2的第一端接惠斯通电桥的输出端S+，第二端接地；R3的第一端接惠斯通电桥的输出端S-，第二端接地；R4串联在惠斯通电桥上，第一端与桥臂电阻Rd的一端连接，第二端接地；R5串联在惠斯通电桥上，第一端与桥臂电阻Rc的一端连接，第二端接地；R2和R3用于补偿压力传感器的零点温漂；R4和R5用于调整压力传感器的零点，增大R4使压力传感器的输出零点增大；增大R5使压力传感器的输出零点减小。
本发明实施例还包括分压电阻Rt，所述分压电阻Rt的一端连接所述可调电压基准芯片的输出端Vo，另一端则连接所述惠斯通电桥的桥臂电阻Ra与Rb之间。考虑到上述温控电压基准电路输出调节能力有限，因此在温控电压基准电路和惠斯通电桥之间，增加分压电阻Rt，增加电压基准电路输出的灵活性。
所述惠斯通电桥的输出端S+和S-还可连接放大电路。从而压力传感器的补偿电路和放大电路分开，可使输出满足各种输出要求。
下面以一款压力芯体的补偿过程作为示例：
表1压力芯体未补偿时在1V供电下的输出特性
Figure BDA0003879646830000041
从表1可以看出，其输出灵敏度随温度升高而逐渐减小，且其输出灵敏度与供电电压正相关，通过调节供电电压，可以使不同温度下压力芯体的输出为恒定值。由上表可以计算出不同温度下压力芯体的目标供电电压，计算公式为：
供电电压＝目标灵敏度÷1V供电灵敏度；
表2不同温度下压力芯体的目标供电电压
Figure BDA0003879646830000051
计算出不同温度下压力芯体的目标供电电压如上表2所示，因此需要选择合适的Rf和R1的比值，以及Rt和Rb(Rb为惠斯通电桥的阻值，其大小随温度升高线性增大)的比值，可以使Vo在不同温度下满足上述供电电压要求。
二极管D1在不同温度下的压降如下表3的第二列所示。
选择Rf的阻值为2550Ω，R1的阻值为1000Ω，根据公式Vo＝VADJ+Rf*(VADJ-VD1)/R1＝1.33+RF*(1.33-VD1)/R1，可以计算出Vo如下表3的第6列所示。
Rt的阻值为451Ω，根据公式V目标＝Vo*Rb/(Rt+Rb)，可以计算出目标供电电压如下表3的第9列所示：
表3
Figure BDA0003879646830000052
目标供电电压和计算出来的供电电压基本一致，误差满足精度要求，其不同温度输出对比如图3所示。
补偿完成后根据测试结果对上述阻值进行修调可以进一步提高补偿精度。选择合适的R2、R3、R4、R5的阻值，补偿压力芯体的零点和零点温漂。这里选择R2＝1.3MΩ，R3不接电阻，R4＝24.4Ω，R5＝0Ω，能够将零点和零点温漂补偿到合格范围。
下表4是补偿后在不同温度、压力条件下的输出精度误差，全温度补偿精度能够达到2％以内。
表4补偿后在不同温度、压力条件下的输出精度误差
温度℃ 50kpa 100kpa 200kpa 350kpa 500kpa 700kpa 900kpa 1200kpa
-45 0.04％ 0.01％ -0.03％ -0.09％ -0.13％ -0.13％ -0.12％ -0.01％
25 0.11％ -0.02％ -0.14％ -0.39％ -0.55％ -0.76％ -0.97％ -1.17％
60 0.30％ 0.28％ 0.30％ 0.32％ 0.38％ 0.46％ 0.56％ 0.79％
120 -0.05％ -0.08％ -0.10％ -0.15％ -0.19％ -0.20％ -0.18％ -0.06％
本发明的优点在于：本发明的硅压阻式压力传感器温度补偿电路基于二极管调节电路和可调电压基准芯片组成温控电压基准源，使电压基准芯片输出电压随温度线性变化，用于补偿压力敏感芯体的灵敏度温漂，通过在惠斯通电桥上串并电阻调节零点和零点温漂，从而将零点和零点温漂补偿到合格范围。充分利用了可调电压基准芯片输出电压可调的特性，灵敏度补偿不需要使用运放，灵敏度补偿计算简单，且零点温漂及零点补偿电路也简单易实现。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路，硅压阻式压力传感器的压力敏感芯体的内部结构等效于一个惠斯通电桥，由4个桥臂电阻Ra、Rb、Rc和Rd组成，其中Rb和Rd随输入压力的增大而增大，Ra和Rc随输入压力的增大而减小，S+和S-为惠斯通电桥的输出端，其特征在于：所述补偿电路包括：
可调电压基准芯片，具有供电端Vi、输出端Vo、可调整电压引脚ADJ以及接地端GND；所述供电端Vi连接供电电源，输出端Vo连接惠斯通电桥的电源端，所述接地端GND接地；
调节电路，由二极管D1、电阻R1和电阻Rf组成，所述二极管D1的阳极连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ，阴极则通过电阻R1连接所述可调电压基准芯片的接地端GND；所述电阻Rf的两端分别连接所述可调电压基准芯片的可调整电压引脚ADJ和输出端Vo；
则Vo＝VADJ+Rf*(VADJ-VD1)/R1；
通过所述二极管D1使所述可调电压基准芯片的输出端Vo的电压随温度升高而增大，通过调节所述电阻Rf和所述电阻R1的比值来补偿压力敏感芯体的灵敏度温漂。
2.如权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路，其特征在于：还包括分压电阻Rt，所述分压电阻Rt的一端连接所述可调电压基准芯片的输出端Vo，另一端则连接所述惠斯通电桥的桥臂电阻Ra与Rb之间。
3.如权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器的温度补偿电路，其特征在于：所述补偿电路还包括固定电阻R2、R3、R4和R5；R2的第一端接惠斯通电桥的输出端S+，第二端接地；R3的第一端接惠斯通电桥的输出端S-，第二端接地；R4串联在惠斯通电桥上，第一端与桥臂电阻Rd的一端连接，第二端接地；R5串联在惠斯通电桥上，第一端与桥臂电阻Rc的一端连接，第二端接地；R2和R3用于补偿压力传感器的零点温漂，增大R4使压力传感器的输出零点增大；增大R5使压力传感器的输出零点减小。
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