CN118190228A - 水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法，包括外壳，所述外壳内设有硅压阻薄膜，所述硅压阻薄膜的数量为两个，分别为第一硅压阻薄膜、第二硅压阻薄膜，所述硅压阻薄膜上设有多个扩散硅压敏电阻，同一硅压阻薄膜上的多个所述扩散硅压敏电阻形成惠斯通电桥。其有益效果是：利用两个相同的惠斯通电桥来提取输入压力的值并消除温度的影响，补偿效果好，补偿成本低，具有工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及换流阀冷却系统器件领域，特别是一种水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法。
背景技术
压阻式压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器，其具有输出线性度高、灵敏度高、响应时间短、稳定性好等一系列优点，因而最适用于换流阀阀冷系统中的压力测量，但压阻式压力传感器极易受环境温度影响产生温漂，其中包括零点漂移和灵敏度漂移，压阻式压力传感器产生温漂的原因是多方面的，一方面是在测量过程中产生的焦耳热，另一方面是压阻材料的压阻系数会受到温度的影响，此外还有温度变化带来的热应力不同对压阻传感器输出的影响。
目前，有很多方法应用于硅压阻式压力传感器的温度补偿，这些方法主要可以分为两类，一类是硬件补偿法，这一类方法通过在压阻式压力传感器的外部增加一个补偿电路来降低硅压阻式压力传感器的温度漂移，其中常见的措施包括在传感器电路中串联温敏二极管或热敏电阻、三极管以及在惠斯通电桥中串并联电阻，但是由于压敏电阻的温度特性无法得到宽温度范围的完全匹配，这些措施有很大的局限性，无法实现精确的补偿。另一类方法是软件补偿法，软件补偿法需要一个温度传感器对环境温度进行监测，然后根据监测到的温度值来使用特定的温度补偿算法来对不同温度下压力传感器的输出进行修正，软件补偿可以在后端电路通过DSP、FPGA等直接进行补偿处理，也可以将采集信号输出到上位机，再通过上位机软件实现温度补偿，这一类方法虽然可以实现高精度的温度补偿，但是复杂的补偿算法和后端处理电路会影响传感器输出的响应时间，而且会大幅增加压力传感器的制造成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法。具体设计方案为：
一种水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法，包括外壳，所述外壳为在硅压阻式压力传感器的壳体，所述外壳内设有硅压阻薄膜，所述硅压阻薄膜的数量为两个，分别为第一硅压阻薄膜、第二硅压阻薄膜，所述硅压阻薄膜上设有多个扩散硅压敏电阻，同一硅压阻薄膜上的多个所述扩散硅压敏电阻形成惠斯通电桥；
其控制方法为：
所述第一硅压阻薄膜承受待测压力P，
对所述第二硅压阻薄膜施加的固定参考压力；
对两个惠斯通电桥输入相同的电压，两个惠斯通电桥的输出电压经过后端处理电路后，得到受温度变化影响极小的输出信号，该信号的幅值即反映待测压力，完成了硅压阻式压力传感器的温度补偿。
后端处理电路包括运算放大器，两个惠斯通电桥的输出电压得到放大且放大倍数相同，从而便于后续的信号处理。
在两个惠斯通电桥的输出电压经过放大之后，输入AD734模拟除法芯片中，芯片输出电压与待测压力成正比，再经过运放电路调整幅值后，输出电压的幅值即反映待测压力的大小，且该测量结果不受温度影响，承载待测压力的惠斯通电桥输出电压经过放大后连接至AD734的Z2、Z1引脚，即10、11号引脚，而承载参考压力的惠斯通电桥输出电压经过放大后连接至AD734的X1、X2引脚，即1、2号引脚。
通过本发明的上述技术方案得到的水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法，其有益效果是：
利用两个相同的惠斯通电桥来提取输入压力的值并消除温度的影响，补偿效果好，补偿成本低，具有工业应用价值。
附图说明
图1是本发明所述硅压阻式压力传感器的结构示意图；
图2是本发明所述硅压阻薄膜的结构示意图；
图3是本发明所述惠斯通电桥的示意图；
图4是本发明所述放大电路的示意图；
图5是本发明所述AD734芯片的示意图；
图中，1、外壳；2、第一硅压阻薄膜；3、第二硅压阻薄膜；4、扩散硅压敏电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
一种水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法，包括外壳1，所述外壳为在硅压阻式压力传感器的壳体，所述外壳1内设有硅压阻薄膜，所述硅压阻薄膜的数量为两个，分别为第一硅压阻薄膜2、第二硅压阻薄膜3，所述硅压阻薄膜上设有多个扩散硅压敏电阻4，同一硅压阻薄膜上的多个所述扩散硅压敏电阻4形成惠斯通电桥；
其控制方法为：
所述第一硅压阻薄膜2承受待测压力P，
对所述第二硅压阻薄膜3施加的固定参考压力Pref；
对两个惠斯通电桥输入相同的电压，两个惠斯通电桥的输出电压经过后端处理电路后，得到受温度变化影响极小的输出信号，该信号的幅值即反映待测压力，完成了硅压阻式压力传感器的温度补偿。
后端处理电路包括运算放大器，两个惠斯通电桥的输出电压得到放大且放大倍数相同，从而便于后续的信号处理。
在两个惠斯通电桥的输出电压经过放大之后，输入AD734模拟除法芯片中，芯片输出电压与待测压力成正比，再经过运放电路调整幅值后，输出电压的幅值即反映待测压力的大小，且该测量结果不受温度影响，承载待测压力的惠斯通电桥输出电压经过放大后连接至AD734的Z2、Z1引脚，即10、11号引脚，而承载参考压力的惠斯通电桥输出电压经过放大后连接至AD734的X1、X2引脚，即1、2号引脚。
本发明提供的温度补偿方法为硬件补偿方法，因此无需在后端加入DSP、单片机或FPGA等信号处理芯片，更不需要利用上位机软件来进行软件补偿，提高了传感器输出的响应速度。
本发明提供的硅压阻式压力传感器温度补偿方法可以消除温度对硅压阻式压力传感器输出的影响，大幅提高了压力传感器输出的稳定性。
本发明提供的硅压阻式压力传感器温度补偿方法经济成本较低，传统的硅压阻式压力传感器温度补偿方法不仅需要温度传感器和复杂的后端温度补偿电路，还需要花费人力物力去做温度补偿标定，且取得的效果不佳，本发明提供的温度补偿方法可以大幅削减硅压阻式压力传感器的生产成本和标定成本。
实施例
当压力施加在硅压阻芯片上时，硅压阻芯片上的惠斯通电桥输出电压与其承载的压力呈现线性关系，以承载待测压力的硅压阻芯片为例，其上压敏电阻的分布和惠斯通电桥如图2所示，四个压敏电阻因温度变化而导致的电阻变化ΔRt相同，而相邻的压敏电阻因压力而产生的电阻变化ΔRp彼此相反，故而惠斯通电桥的输出电压为：
根据压阻效应，压敏电阻因压力而产生的电阻变化ΔRp与施加于其上的压力P成正比，其具体关系为：
式中，μ为硅材料的泊松比，μ＝0.35，r和H分别为硅膜的计算半径和厚度。在输入电压不变的条件下，k为常数，不受温度影响，而压阻系数π44则是关于温度的函数。
由上可知，温度对硅压阻式压力传感器输出的影响主要是由两个原因导致的，一方面是温度变化导致的压敏电阻电阻变化ΔRt，另一方面是温度变化对压阻系数的影响，而本发明提出的硅压阻式压力传感器硬件补偿方法可以同时消除这两方面的影响，从而消除温度漂移，这种硬件补偿方法的硬件原理图如图3所示，两个惠斯通电桥的输出电压经过放大器放大相同倍数K1后输入AD734芯片，AD734为模拟乘法/除法器芯片，其作用是得到两个输入电压的比值。而两个输入电压的比值为：
而AD734的引脚接线图如图4所示，其中，承载待测压力P的硅压阻芯片输出电压经过放大后输入至连接至AD734的Z2、Z1引脚，其低压端输入至Z1引脚，而高压端输入至Z2引脚；而承载参考压力Pref的惠斯通电桥输出电压经过放大后连接至AD734的X1、X2引脚，其低压端输入至X2引脚，而高压端输入至X1引脚。则AD734芯片的W引脚输出为：
其中K3为常数，与温度无关，故W引脚输出经过放大器调整至合适幅值后即可作为硅压阻式压力传感器输出，经过此硬件补偿方法补偿的硅压阻式压力传感器输出与输入压力P成正比，且不受温度影响。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法，包括外壳(1)，所述外壳为在硅压阻式压力传感器的壳体，所述外壳(1)内设有硅压阻薄膜，其特征在于，所述硅压阻薄膜的数量为两个，分别为第一硅压阻薄膜(2)、第二硅压阻薄膜(3)，所述硅压阻薄膜上设有多个扩散硅压敏电阻(4)，同一硅压阻薄膜上的多个所述扩散硅压敏电阻(4)形成惠斯通电桥；
其控制方法为：
所述第一硅压阻薄膜(2)承受待测压力P，
对所述第二硅压阻薄膜(3)施加的固定参考压力Pref；
对两个惠斯通电桥输入相同的电压，两个惠斯通电桥的输出电压经过后端处理电路后，得到受温度变化影响极小的输出信号，该信号的幅值即反映待测压力，完成了硅压阻式压力传感器的温度补偿。
2.根据权利要求1中所述的水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法，其特征在于，后端处理电路包括运算放大器，两个惠斯通电桥的输出电压得到放大且放大倍数相同，从而便于后续的信号处理。
3.根据权利要求1中所述的水压传感器温度补偿硬件电路及其控制方法，其特征在于，在两个惠斯通电桥的输出电压经过放大之后，输入AD734模拟除法芯片中，芯片输出电压与待测压力成正比，再经过运放电路调整幅值后，输出电压的幅值即反映待测压力的大小，且该测量结果不受温度影响，承载待测压力的惠斯通电桥输出电压经过放大后连接至AD734的Z2、Z1引脚，即10、11号引脚，而承载参考压力的惠斯通电桥输出电压经过放大后连接至AD734的X1、X2引脚，即1、2号引脚。
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