CN116499631A - 一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路和补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路和补偿方法,所述补偿电路包括:PTC分流电阻网络,并联在压力芯体的外部,用于对恒流激励电源进行分流,并拟合所需的分流电阻网络温度特性曲线,以补偿压力芯体的灵敏度温漂;NTC调零电阻网络,串联和并联在所述惠斯通电桥的桥臂上,用于拟合零点补偿所需电阻温度特性曲线,将压力芯体的零点输出及温漂补偿至合格范围。本发明采用热敏电阻替代固定电阻的方式,从而将零位输出温漂较大的压力传感器补偿至合格范围。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种恒流供电的压力传感器,具体地说,是一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路和补偿方法。
【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,数字补偿通过信号调理芯片进行校准,输出电压通常为伏级(V);模拟补偿主要通过压力芯体外部的电阻网络或放大电路实现压力传感器的温度补偿,其输出电压通常为伏级(V)或毫伏级(mV)。
如图1所示,压力传感器中的压力芯体内部电路可等效为一个惠斯通电桥,其具有4个桥臂电阻R1、R2、R3、R4,且4个桥臂电阻阻值与温度呈正相关,桥臂电阻温度特性如图2所示。
压力芯体的灵敏度则与芯体的激励电源呈正相关趋势,与温度变化呈负相关趋势,即激励电压恒定时,芯体的灵敏度随温度升高递减;温度恒定时,芯体的灵敏度随激励电压升高递增。
因此,恒流激励的压力芯体温度特性是:若压力芯体采用恒流激励,由于桥臂电阻随温度呈递增趋势,故芯体的供电电源也随温度升高递增,而灵敏度随温度升高递减,因此采用恒流供电时,压力芯体有自补偿作用。采用恒流供电的压力芯体灵敏度温度特性曲线如图3所示。
由于绝大多数压力传感器采用恒压激励电源供电,上述两种补偿方法对于恒流激励的压力传感器无法完全适用。主要原因是:
1、恒流激励的压力传感器由于压力芯体自身的灵敏度和电阻均与温度呈正相关,采用在传感器外部并联电阻网络的方式可实现灵敏度温漂补偿,但无法通过在传感器外部串联电阻网络的方式补偿温漂。
2、恒流激励的压力传感器由于采用恒流激励会导致零位输出温漂较大,对于零位输出温漂较大的压力传感器,采用在芯体上串并联固定电阻的方案无法将温漂完全补偿到位。
因此,本申请提出一种恒流激励的压力传感器温度补偿方法,采用热敏电阻替代固定电阻的方式,从而将零位输出温漂较大的压力传感器补偿至合格范围,主要用于补偿毫伏级(mV)小信号输出的压力传感器温漂,使之满足技术指标要求。
【发明内容】
鉴于此,本发明要解决的技术问题,在于提供一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路和补偿方法,采用热敏电阻替代固定电阻的方式,从而将零位输出温漂较大的压力传感器补偿至合格范围。
为达到前述发明之目的之一,本发明实施例采取的技术方案是:一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路,压力传感器中的压力芯体内部电路等效为一个惠斯通电桥,其特征在于:所述补偿电路包括:
PTC分流电阻网络,并联在压力芯体的外部,用于对恒流激励电源进行分流,并拟合所需的分流电阻网络温度特性曲线,以补偿压力芯体的灵敏度温漂;
NTC调零电阻网络,串联和并联在所述惠斯通电桥的桥臂上,用于拟合零点补偿所需电阻温度特性曲线,将压力芯体的零点输出及温漂补偿至合格范围。
为达到前述发明之目的之二,本发明实施例采取的技术方案是:一种恒流供电的压力传感器温度的补偿方法,包括恒流激励的压力传感器灵敏度补偿过程和调零电阻及温漂补偿过程;
所述恒流激励的压力传感器灵敏度补偿过程包括:
S11、在压力芯体外部并联分流电阻网络对恒流激励电源进行分流,使惠斯通电桥的供电电流呈先增大后减小的趋势;
S12、按下述公式(1)计算所述惠斯通电桥的供电电流:
公式(1)中:
Uout—满量程输出目标值;
UFS—供电电流IT时压力芯体的满量程输出,通过实测得到;
IT—总供电电流;
IB—惠斯通电桥的供电电流;
S13、根据所述惠斯通电桥的供电电流IB计算各温度下所述分流电阻网络的阻值RP,得到所述分流电阻网络的阻值随温度的变化趋势;
先根据欧姆定律计算出分流电阻的阻值RP;
UB=IB×RB (4)
Ip=IT-IB (5)
其中:
UB—惠斯通电桥的供电电压,与分流电阻网络两端的电压相等;
RB—惠斯通电桥的桥臂总阻值,通过实测得到;
IP—分流电流;
RP—分流电阻网络的阻值;
然后计算各温度下所述分流电阻网络的阻值,得到所述分流电阻网络的阻值随温度变化曲线;
S13、将PTC热敏电阻与定值电阻组成PTC分流电阻网络,根据分流电阻随温度变化曲线,通过所述PTC分流电阻网络来拟合拟合所需的分流电阻网络温度特性曲线;
所述调零电阻及温漂的补偿过程是:
将NTC热敏电阻和固定电阻串联和并联在所述惠斯通电桥的桥臂上,形成NTC调零电阻网络,用于拟合零点补偿所需电阻温度特性曲线,根据NTC热敏电阻的温度特性,使零点输出实现在不同温度下输出相同的电压值。
本发明的优点在于:本发明恒流供电的压力传感器温度的补偿电路和补偿方法,通过在芯体外部并联电阻网络可对恒流激励电源进行分流,降低流入压力芯体的电流,从而可通过控制流入压力芯体的电流来补偿灵敏度温漂。由于所需的分流电阻随温度呈递增趋势,因此可采用PTC热敏电阻与定值电阻来拟合所需的电阻曲线。调零电阻及温漂的补偿上,由于采用固定电阻无法将零点输出及温漂补偿至合格范围,因此改采用NTC热敏电阻方案补偿零点温漂,根据NTC的温度特性,使零点输出实现在不同温度下输出相同的电压值,可主要用于补偿毫伏级(mV)小信号输出的压力传感器温漂,使之满足技术指标要求。
【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是本发明压力传感器的压力芯体的等效电路结构示意图。
图2是本发明一实例的桥臂电阻温度特性数值表。
图3是本发明一实例的压力芯体灵敏度温度特性曲线。
图4是本发明实施例一恒流供电的压力传感器温度的补偿电路示意图。
图5是本发明实施例二恒流供电的压力传感器温度的补偿方法流程示意图。
图6是本发明一实例的分流电阻网络温度特性曲线示意图。
图7是本发明一实例的零点补偿所需电阻温度特性曲线示意图。
图8是本发明一实例的分流电阻随温度变化曲线示意图。
图9是本发明一实例的PTC热敏电阻温漂曲线示意图。
图10是本发明一实例的PTC热敏电阻拟合出的曲线与分流电阻曲线对比示意图。
【具体实施方式】
本发明实施例通过提供一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路和补偿方法,采用热敏电阻替代固定电阻的方式,从而将零位输出温漂较大的压力传感器补偿至合格范围。
本发明实施例中的技术方案为解决上述问题,总体思路如下:恒流供电的压力传感器,其无法采取在芯体外部串联电阻网络的方式来进行温度补偿,因此改需采用在芯体外部并联的方式,通过在压力芯体外部并联电阻网络可对恒流激励电源进行分流,降低流入压力芯体的电流,从而可通过控制流入压力芯体的电流来补偿灵敏度温漂。由于所需的分流电阻随温度呈递增趋势,因此可采用PTC热敏电阻与定值电阻来拟合所需的电阻曲线。调零电阻及温漂的补偿上,由于采用固定电阻无法将零点输出及温漂补偿至合格范围,因此改采用NTC热敏电阻方案补偿零点温漂,根据NTC的温度特性,使零点输出实现在不同温度下输出相同的电压值。
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。
实施例一
请参阅图4所示,本实施例的恒流供电的压力传感器温度的补偿电路包括PTC分流电阻网络和NTC调零电阻网络。
PTC分流电阻网络,并联在压力芯体的外部,用于对恒流激励电源进行分流,降低流入压力芯体的电流,并拟合所需的分流电阻网络温度特性曲线,通过控制流入压力芯体的电流来补偿压力芯体的灵敏度温漂;
所述PTC分流电阻网络包括1个PTC热敏电阻RP和2个定值电阻R5和R6,PTC热敏电阻RP与R5并联后再与R6串联。
NTC调零电阻网络,串联和并联在所述惠斯通电桥的桥臂上,用于拟合零点补偿所需电阻温度特性曲线,将压力芯体的零点输出及温漂补偿至合格范围。
所述NTC调零电阻网络包括1个NTC热敏电阻RN和3个定值电阻R7、R8、R9;所述惠斯通电桥的桥臂R3与所述定值电阻R7并接后再与所述定值电阻R8串接;即定值电阻R8一端连接桥臂R3,另一端接地,定值电阻R7则一端连接所述惠斯通电桥的电压输出端Vout+,另一端连接定值电阻R8;所述定值电阻R9与NTC热敏电阻并接后再与所述惠斯通电桥的桥臂R4串接;即NTC热敏电阻与R9并联后一端连接桥臂R4,另一端接地。
实施例二
请参阅图5所示,本实施例的恒流供电的压力传感器温度的补偿方法,其包括恒流激励的压力传感器灵敏度补偿过程和调零电阻及温漂补偿过程;
在芯体外部并联电阻网络可对恒流激励电源进行分流,降低流入压力芯体的电流,并通过控制流入压力芯体的电流来补偿灵敏度温漂。通过计算得到分流的电阻网络阻值随温度的变化趋势如图6所示,由图6可知,所需的分流电阻随温度呈递增趋势,可采用PTC热敏电阻与定值电阻来拟合所需的电阻曲线。
调零电阻及温漂通常采用在压力芯体的桥臂上串联和并联固定电阻的方法来补偿。对于零点温漂较大的压力传感器,补偿其零点温漂所需电阻温度特性如图7所示。由图7可知,采用固定电阻无法将零点输出及温漂补偿至合格范围,本方案提出采用NTC热敏电阻方案补偿零点温漂,根据NTC的温度特性,使零点输出实现在不同温度下输出相同的电压值。
具体补偿方法如下:
压力芯体的满量程输出电压与供电电流成正比。为了使满量程输出电压在不同温度下保持不变,只需让惠斯通电桥的供电电流(即流过惠斯通电桥的电流)呈先增大后减小的趋势。为此需对供电电流进行分流,改变电桥供电电流的趋势。因此,所述恒流激励的压力传感器灵敏度补偿过程具体包括:
S11、在压力芯体外部并联分流电阻网络对恒流激励电源进行分流,使惠斯通电桥的供电电流呈先增大后减小的趋势;
S12、按下述公式(1)计算所述惠斯通电桥的供电电流:
公式(1)中:
Uout—满量程输出目标值;
UFS—供电电流IT时压力芯体的满量程输出,通过实测得到;
IT—总供电电流,由分流电阻网络的电流和惠斯通电桥的供电电流组成;
IB—惠斯通电桥的供电电流;
S13、根据所述惠斯通电桥的供电电流IB计算各温度下所述分流电阻网络的阻值RP,得到所述分流电阻网络的阻值随温度的变化趋势;
若分流电阻网络的电流IP已知,即可先根据欧姆定律计算出分流电阻的阻值RP;
UB=IB×RB (4)
IP=IT-IB (5)
其中:
UB—惠斯通电桥的供电电压,与分流电阻网络两端的电压相等;
RB—惠斯通电桥的桥臂总阻值,通过实测得到;
IP—分流电流,即分流电阻网络的电流,可根据公式(5)计算得到;
RP—分流电阻网络的阻值;
然后计算各温度下所述分流电阻网络的阻值,得到所述分流电阻网络的阻值随温度变化曲线,如图8所示;
S13、再如图9所示,为PTC热敏电阻的温漂曲线,因此可将PTC热敏电阻与定值电阻组成PTC分流电阻网络,根据分流电阻随温度变化曲线,通过所述PTC分流电阻网络来拟合所需的分流电阻网络温度特性曲线;
所述PTC分流电阻网络包括1个PTC热敏电阻和2个定值电阻R5和R6,PTC热敏电阻与R5并联后再与R6串联。其PTC分流电阻网络拟合出的温度曲线与所需的分流电阻曲线对比,基本重合,可见拟合效果良好。
零位输出电压的随温度变化通常有三种类型曲线:1、单调递增曲线;2、单调递减曲线;3、折线型(先增大后减小或先减小后增大),通过在惠斯通电桥上定值电阻R7,可将温漂曲线统一为单调递减型。如图2所示,,其原理是:惠斯通电桥的桥臂电阻随温度呈单调递增趋势。
所述调零电阻及温漂的补偿过程是:
如图4所示,先在桥臂R3上并联一个定值电阻R7,可使桥臂R3的阻值减小,且高温减小量大于低温减小量。如下公式计算
R3(-55℃)<R3(25℃)<R3(125℃)
R3上并联固定电阻R7后,在-55℃,25℃,125℃的变化量分别为:
△R3(-55℃)=R3(-55℃)-R3(-55℃)×R7/(R3(-55℃)+R7)
△R3(25℃)=R3(25℃)-R3(25℃)×R7/(R3(25℃)+R7)
△R3(125℃)=R3(125℃)-R3(125℃)×R7/(R3(125℃)+R7)
选用的R7为低温漂电阻,温度对R7阻值的影响可以忽略不计,所以
△R3(-55℃)<△R3(25℃)<△R3(125℃)
惠斯通电桥电路输出方式为差分输出,其中零位输出电压可表示为:
式中:
Uin为惠斯通电桥的供电电压;
R1、R2、R3和R4为电桥的4个桥臂电阻;
Vout+为桥臂R2和R3之间的电压;
Vout-为桥臂R1和R4之间的电压;
Vout为电桥的差分输出电压;
由于先在桥臂R3上并联电阻R7,对桥臂R1、R2和R4阻值无影响,所以Vout-不变,Vout+减小。又根据△R3(-55℃)<△R3(25℃)<△R3(125℃),所以
△Vout+(-55℃)<△Vout+(25℃)<△Vout+(125℃)
惠斯通电桥输出电压Vout减小,且高温变化量大于低温变化量。通过迭代计算,可选择合适的R7,将温漂曲线统一为单调递减型,就可以计算补偿不同温度的零位输出电压所需的调零电阻规格。
温漂曲线统一后,再通过增大桥臂R3上的串联电阻R8,使得各个温度下均有Vout+>Vout-,即惠斯通电桥输出电压为正数,由公式(8)可知,增大桥臂R4阻值可增大Vout-,即增大R4上的串联电阻R9和RN,使得Vout+=Vout-,输出电压为0。
桥臂R1、R2、R3、R4均可通过直接测试得出,定值电阻R7为已知值,可计算得到当Vout+=Vout-时所需的调零电阻阻值,即R9和NTC热敏电阻并接后的值。此时调零电阻在不同温度下的阻值不同,呈单调递减趋势,NTC热敏电阻具有随温度单调递减的温漂特性,通过NTC热敏电阻与定值电阻R9并联可构造一个随温度变化的电阻串联在R4上,使得不同温度的零位输出电压均为0。
所述NTC调零电阻网络包括1个NTC热敏电阻和3个定值电阻R7、R8、R9;所述惠斯通电桥的桥臂R3与定值电阻R7并接后与定值电阻R8串接;定值电阻R9与NTC热敏电阻并接后与所述惠斯通电桥的桥臂R4串接。
本发明恒流供电的压力传感器温度的补偿电路和补偿方法,通过在芯体外部并联电阻网络可对恒流激励电源进行分流,降低流入压力芯体的电流,从而可通过控制流入压力芯体的电流来补偿灵敏度温漂。由于所需的分流电阻随温度呈递增趋势,因此可采用PTC热敏电阻与定值电阻来拟合所需的电阻曲线。调零电阻及温漂的补偿上,由于采用固定电阻无法将零点输出及温漂补偿至合格范围,因此改采用NTC热敏电阻方案补偿零点温漂,根据NTC的温度特性,使零点输出实现在不同温度下输出相同的电压值,可主要用于补偿毫伏级(mV)小信号输出的压力传感器温漂,使之满足技术指标要求。我司的JCYYZ343V-2压力传感器采用如上方案,补偿后常温精度为±1%,零点温漂及灵敏度温漂均为±0.06%FS/℃。
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 (6)
1.一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路,压力传感器中的压力芯体内部电路等效为一个惠斯通电桥,其特征在于:所述补偿电路包括:
PTC分流电阻网络,并联在压力芯体的外部,用于对恒流激励电源进行分流,并拟合所需的分流电阻网络温度特性曲线,以补偿压力芯体的灵敏度温漂;
NTC调零电阻网络,串联和并联在所述惠斯通电桥的桥臂上,用于拟合零点补偿所需电阻温度特性曲线,将压力芯体的零点输出及温漂补偿至合格范围。
2.如权利要求1所述的一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路,其特征在于:所述PTC分流电阻网络包括1个PTC热敏电阻和2个定值电阻R5和R6,PTC热敏电阻与R5并联后再与R6串联。
3.如权利要求1所述的一种恒流供电的压力传感器温度的补偿电路,其特征在于:所述NTC调零电阻网络包括1个NTC热敏电阻和3个定值电阻R7、R8、R9;所述惠斯通电桥的桥臂R3与所述定值电阻R7并接后再与所述R8并接;所述定值电阻R9与NTC热敏电阻并接后再与所述惠斯通电桥的桥臂R4串接。
4.一种恒流供电的压力传感器温度的补偿方法,其特征在于:包括恒流激励的压力传感器灵敏度补偿过程和调零电阻及温漂补偿过程;
所述恒流激励的压力传感器灵敏度补偿过程包括:
S11、在压力芯体外部并联分流电阻网络对恒流激励电源进行分流,使惠斯通电桥的供电电流呈先增大后减小的趋势;
S12、按下述公式(1)计算所述惠斯通电桥的供电电流:
公式(1)中:
Uout—满量程输出目标值;
UFS—供电电流IT时压力芯体的满量程输出,通过实测得到;
IT—总供电电流,为供电系统提供的恒定电流值;
IB—惠斯通电桥的供电电流;
S13、根据所述惠斯通电桥的供电电流IB计算各温度下所述分流电阻网络的阻值RP,得到所述分流电阻网络的阻值随温度的变化趋势;
先根据欧姆定律计算出分流电阻的阻值RP;
UB=IB×RB (4)
Ip=IT-IB (5)
其中:
UB—惠斯通电桥的供电电压,与分流电阻网络两端的电压相等;
RB—惠斯通电桥的桥臂总阻值,通过实测得到;
IP—分流电流;
RP—分流电阻网络的阻值;
然后计算各温度下所述分流电阻网络的阻值,得到所述分流电阻网络的阻值随温度变化曲线;
S13、将PTC热敏电阻与定值电阻组成PTC分流电阻网络,根据分流电阻随温度变化曲线,通过所述PTC分流电阻网络来拟合拟合所需的分流电阻网络温度特性曲线;
所述调零电阻及温漂的补偿过程是:
将NTC热敏电阻和固定电阻串联和并联在所述惠斯通电桥的桥臂上,形成NTC调零电阻网络,用于拟合零点补偿所需电阻温度特性曲线,根据NTC热敏电阻的温度特性,使零点输出实现在不同温度下输出相同的电压值。
5.如权利要求3所述的一种恒流供电的压力传感器温度的补偿方法,其特征在于:所述PTC分流电阻网络包括1个PTC热敏电阻和2个定值电阻R5和R6,PTC热敏电阻与R5并联后再与R6串联。
6.如权利要求3所述的一种恒流供电的压力传感器温度的补偿方法,其特征在于:所述NTC调零电阻网络包括1个NTC热敏电阻和3个定值电阻R7、R8、R9;所述惠斯通电桥的桥臂R3与所述定值电阻R7并接再与所述R8串接;所述定值电阻R9与NTC热敏电阻并接后再与所述惠斯通电桥的桥臂R4串接。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117129114A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-11-28 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器 |
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2022
- 2022-12-14 CN CN202211636633.2A patent/CN116499631A/zh active Pending
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CN117129114A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-11-28 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器 |
CN117129114B (zh) * | 2023-10-23 | 2024-01-26 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种带温补开环电桥平衡结构的高精度压力传感器 |
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