KR19980084452A - 압력센서의 온도 보상 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력 센서의 온도 보상 회로에 관한 것으로서, 특히 유압이나 공기압 또는 가스압을 측정하는데 사용되는 압력 센서에서 정확한 압력을 측정하기 위해, 4개의 스트레인 게이지로 구성되는 브리지의 출력 임피던스를 연산 증폭기의 입력 저항으로 이용하는 압력 센서의 온도 보상 회로에 있어서, 스트레인 게이지의 출력 임피던스 일단이 2개의 연산 증폭기 비반전 단자에 각각 연결되고, 상기 연산 증폭기의 출력 전압이 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 상기 연산 증폭기, 금속 박막 저항 및 감온 저항을 통해 다음 단 연산 증폭기의 반전 단자에 연결되어 상기 연산 증폭기를 통해 출력되며, 다시 출력 전압을 증폭용 저항을 통해 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항을 거쳐 브리지의 +단자에 입력됨을 특징으로 하는 압력 센서의 온도 보상 회로를 제공하여, 온도가 변화하여 스트레인 게이지의 저항이 변화하더라도 정확하게 온도 보상된 전압을 출력시키고 온도보상 범위의 제약을 받지 않는 압력 센서의 온도 보상 회로에 관한 것이다.

Description

압력 센서의 온도 보상 회로
본 발명은 압력 센서의 온도 보상 회로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자동차의 유압이나 공기압 또는 산업용 유체의 가스압을 측정하는데 사용되는 압력센서에서 온도 변화에 무관하게 정확한 압력을 측정하기 위해 증폭용 연산 증폭기의 이득 저항을 온도 보상에 피드백시키는 스팬(span) 온도 보상법으로 압력 센서의 온도 변화를 보상하는 압력 센서의 온도 보상 회로에 관한 것이다.
압력 센서는 자동차의 유압이나 공기압 또는 산업용 유체의 가스압을 측정하는데 사용되는 계기로 압력 센서의 수감부에는 비교적 좁은 면적에 4개의 스트레인 게이지가 부착되어 있고 공간적으로 밀폐된 경우도 많으므로 동작시 차폐 발열을 고려해야만 한다.
여기에서 스트레인 게이지(strain gauge)란 변형 게이지라고도 하며 금속 또는 반도체의 저항체의 압력이 가해지면 저항값이 변화하는 압력 저항 효과를 이용한 것이다.
이러한 압력 센서는 정격 압력을 인가하였을 때 정격 출력을 전압 또는 전류가 출력되는 것으로 똑같은 압력을 인가하더라도 온도 변화에 따라 출력 전압 또는 전류가 일정하기 않고 변화하기 때문에 이러한 온도 변화에 무관하게 정확한 유압이나 공기압을 측정해야 하는 문제가 대두되었어으며 이러한 문제의 해결책으로 압력 센서의 수감부에 온도 보상 회로를 삽입하여 똑같은 압력의 인가시에는 온도 변화에 따른 전압 또는 전류의 출력을 일정하게 하였다.
종래의 이러한 온도 보상 방식을 첨부된 도면 도 1 및 도 2를 참고로 하여 살펴보면 다음과 같다.
도 1, 도 2는 종래 온도 보상 회로도이다.
도 1은 4개의 스트레인 게이지(G1, G2, G3, G4)를 상호 접속하여 구성되는 브리지(10)를 평행시키는 감온 저항(R5a, R5b) 삽입에 의한 온도 보상 방식으로 보다 넓은 온도 보상을 원할 경우에 감온 저항(R5a, R5b)값을 크게 해야 되고 감온 저항(R5a, R5b)값을 크게 하면 브리지(10)의 입력 임피던스 증가를 초래하게 되는 단점이 있다.
이를 상세히 설명하면 입력 전압(Vs)이 일정하더라고 온도가 변하면 온도에 따라 브리지(10)의 스트레인 게이지(G1, G2, G3, G4) 저항값이 변하여 똑같은 압력을 측정하더라도 출력 전압(Vo)이 변하게 되어 결국은 정확한 압력을 측정할 수 없게 된다.
즉, 온도가 변하면 스트레인 게이지(G1, G2, G3, G4) 저항값이 증가하게 되고 따라서 출력 전압(Vo)도 증가하게 된다.
이를 방지하기 위하여 브리지(10)의 입력에 감온 저항(R5a, R5b)을 삽입하면 온도가 상승한 만큼 감온 저항값(R5a, R5b)이 일정 비율로 상승하게 되고 이에 의해 전압 강하가 일어나 조정 전압(V2)이 감소하게 되어 출력 전압(Vo)이 일정하게 됨으로써 온도 보상이 되는 것이다.
도 2는 브리지(10)의 스트레인 게이지 출력 임피던스를 즉 스트레인 게이지의 테브난 등가 저항을 연산 증폭기(A1)의 게인(gain)을 보장받을 수 없는 단점이 있다.
미설명 부호 R6, R7은 피드백 저항이다.
이러한 단점을 고려하면 상기 종래의 온도 보상 방식은, 온도 보상 범위가 적고 그 오차가 커서 고정밀급 압력 센서에 사용되는 경우 제약을 받게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제공하고자 하는 목적은 간단한 회로로 연산 증폭기의 이득 저항을 온도 보상에 피드백시켜 주위 온도가 변화하더라도 그에 따라 정확하게 온도 보상된 전압이나 전류를 출력시키고 온도 보상의 범위의 제약을 받지 않아 결국은 넓은 온도 범위에 걸쳐 정확한 압력을 측정할 수 있는 압력 센서의 온도 보상 회로를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 4개의 스트레인 게이지로 구성되는 브리지의 출력 임피던스를 연산 증폭기의 입력 저항으로 이용하는 압력 센서의 온도 보상 회로에 있어서, 스트레인 게이지의 출력 임피던스 일단이 2개의 연산 증폭기 비반전 단자에 각각 연결되고, 상기 연산 증폭기의 출력 전압이 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 상기 연산 증폭기, 금속 박막 저항 및 감온 저항을 통해 다음 단 연산 증폭기의 반전 단자에 연결되어 상기 연산 증폭기를 통해 출력되며, 다시 출력 전압을 증폭용 저항을 통해 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항을 거쳐 브리지의 +단자에 입력됨을 특징으로 하는 압력 센서의 온도 보상 회로를 제공하고자 한다.
도 1, 도 2는 종래 온도 보상 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 온도 보상 회로도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
G1, G2, G3, G4 : 스트레인 게이지, A1, A2 : 연산 증폭기
R1 : 금속 박막 저항 R2, R5a, R5b : 감온 저항
R3 : 증폭용 저항R4 : 레벨 쉬프트 저항
Vs : 입력 전압V2: 조정 전압
V1, VO: 출력 전압10 : 브리지
+ : 비반전 단자- : 반전 단자
R6, R7 : 피드백 저항
이하 본 발명을 첨부된 도면 도 3을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 온도 보상 회로도이다.
먼저 본 발명의 기본적인 구성을 살펴보면, 4개의 스트레인 게이지(G1, G2, G3, G4)로 구성되는 브리지(10)의 출력 임피던스를 연산 증폭기(A1)의 입력 저항으로 이용하는 압력 센서의 온도 보상 회로에 있어서, 스트레인 게이지(G1, G2, G3, G4)의 출력 임피던스 일단이 2개의 연산 증폭기(A1, A2) 비반전 단자(+)에 각각 연결되고, 상기 연산 증폭기(A1)의 출력 전압(V1)이 연산 증폭기(A1)의 반전 단자(-)로 피드백되어 상기 연산 증폭기(A1), 금속 박막 저항(R1) 및 감온 저항(R2)을 통해 다음 단 연산 증폭기(A2) 의 반전 단자(-)에 연결되어 상기 연산 증폭기(A2)를 통해 출력되며, 다시 출력 전압(Vo)은 증폭용 저항(R3)을 통해 연산 증폭기(A2)의 반전 단자(-)로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항(R4)을 거쳐 브리지(10)의 +단자(V+)에 입력됨을 특징으로 한다.
여기에서 금속 박막 저항(R1)은 온도 계수 0인 정밀 저항이고, 감온 저항(R2)은 온도 계수가 본 발명에서는 +α인 온도 보상용 저항이며, 연산 증폭기(A1)는 테브난 등가 저항이 즉 브리지(10)의 스트레인 게이지 출력 임피던스가 연산 증폭기(A2)의 이득에 미치는 영향을 제거하기 위한 전압 플로워(voltage follower)이다.
도 R4는 증폭용 연산 증폭기(A2)의 동작점을 설정하기 위한 레벨 쉬프트 저항(level shift) 저항이다.
일반적으로 4개의 액티브 스트레인 게이지를 사용한 압력 센서의 출력 전압은 다음 식으로 주어진다.
첨부된 도면 도 1에서 연산 증폭기(A2)의 이득은
이므로 출력 전압 Vo은
로 된다.
만약 압력 센서의 온도가 상승하면 그 출력 전압 Vi이 증가할 것이다.
그러나 온도에 따라 감온 저항(R2)의 값도 상승하여 증폭용 연산 증폭기(A2)의 이득을 감소하므로, 식 2에서 온도 상승에 대한 영향은 상쇄되고 온도 보상이 이루어진다.
다음, 감온 저항(R2)의 저항값을 설계하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.
지금 임의의 온도에서 압력 센서의 출력 전압을 V1, 기준 온도에서의 출력전압을 V1o라고 하면
으로 쓸 수 있다.
여기서 β는 압력 센서의 온도 계수, t는 기준 온도와의 온도 차이이다.
식 2에서 식 3과 감온 저항(R2)의 온도 의존성 R2=R20(1+αt)을 대입해서 정리하면 온도 보상 회로의 출력 전압 Vo는 다음과 같이 된다.
여기서 R20은 기준 온도에서 감온 저항(R2)의 값이다.
일반적으로 1이므로, 식 4를 다시 정리하면
여기서 편의상 γ를 다음과 같이 정리하면;
식 5는
로 되고, 출력 전압이 온도에 무관하게 되기 위해서는 식 5에서
의 관계를 만족시키도록 감온 저항(R2)의 기준 온도에서의 값(R20)을 설계하면 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 간단한 회로로 연산 증폭기의 이득 저항을 온도 보상에 피드백시켜 주위 온도가 변화하더라도 그에 따라 정확하게 온도 보상된 전압이나 전류를 출력시키고 온도 보상의 범위의 제약을 받지 않아 결국은 넓은 온도 범위에 걸쳐 정확한 압력을 측정할 수 있는 유용한 발명인 것이다.

Claims (1)

  1. 4개의 스트레인 게이지(G1, G2, G3, G4)로 구성되는 브리지(10)의 출력 임피던스를 연산 증폭기(A1)의 입력 저항으로 이용하는 압력 센서의 온도 보상 회로에 있어서, 스트레인 게이지(G1, G2, G3, G4)의 출력 임피던스 일단이 2개의 연산 증폭기(A1, A2) 비반전 단자(+)에 각각 연결되고, 상기 연산 증폭기(A1)의 출력 전압(V1)이 연산 증폭기(A1)의 반전 단자(-)로 피드백되어 상기 연산 증폭기(A1), 금속 박막 저항(R1) 및 감온 저항(R2)을 통해 다음 단 연산 증폭기(A2)의 반전 단자(-)에 연결되어 상기 연산 증폭기(A2)를 통해 출력되며, 다시 출력 전압(Vo)은 증폭용 저항(R3)을 통해 연산 증폭기(A2)의 반전 단자(-)로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항(R4)을 거쳐 브리지(10)의 +단자(V+)에 입력됨을 특징으로 하는 압력 센서의 온도 보상 회로.
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