石軍輝，李永紅，王恩懷

(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原030051)

0 引 言

隨著我國航空、航天事業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)、火箭等飛行器需要在更高、更惡劣的環(huán)境下飛行，這就需要有效的測試手段對飛行器在未知環(huán)境中的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測試，實(shí)時(shí)獲取飛行器表面的壓力場分布參數(shù)［1，2］，這樣就對飛行器氣動(dòng)參數(shù)的測試系統(tǒng)提出了新的要求，即更薄、更小、更精，數(shù)據(jù)傳輸速率更快。選擇體積小、輸出靈敏度高的MEMS壓阻式壓力傳感器SM5420 作為敏感頭，傳感器的失調(diào)和滿量程溫漂會(huì)達(dá)到20%～30%左右，要獲得足夠高的精度，就需要對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。目前大多補(bǔ)償方法都是采用小型化、智能化的集成信號調(diào)理器進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償，這樣雖然補(bǔ)償過程簡單，但是補(bǔ)償精度受到信號調(diào)理芯片的限制。

本文提出了采用恒流源給傳感器提供激勵(lì)，同時(shí)采用高精度的運(yùn)放和高精度、低溫漂、小封裝的電阻器搭建補(bǔ)償電路，對壓阻式傳感器固有的零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移、非線性等性能進(jìn)行補(bǔ)償，減少環(huán)境溫度和元器件對測試精度的影響［3］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源電路、激勵(lì)源電路、MEMS 壓力傳感器、溫度補(bǔ)償電路、信號調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、RS—485 串行通信電路以及上位機(jī)部分，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of system

MEMS 壓力傳感器輸出的微弱差分信號經(jīng)過溫度補(bǔ)償電路零點(diǎn)和靈敏度補(bǔ)償后，由信號調(diào)理電路對其進(jìn)行放大、調(diào)零、濾波等處理產(chǎn)生所需模擬信號，信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過單片機(jī)控制模塊和串行通信模塊將信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)［4，5］，基于LabVIEW 開發(fā)了上位機(jī)軟件。

2 電路的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器激勵(lì)的設(shè)計(jì)

硅壓阻式壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，可在恒壓或者恒流模式下工作。在恒壓模式下，若輸出恒壓激勵(lì)為V0，則傳感器的正輸出端電壓，負(fù)輸出端電壓為，傳感器輸出的差分電壓為ΔV=V1-V2，初始狀態(tài)電橋電阻R1=R2=R3=R4=R，ΔV=0;在受到外界壓力時(shí)，傳感器的輸出信號與電阻變化ΔR、電阻R 值以及激勵(lì)源V0有關(guān);在恒流模式下，若輸出恒流激勵(lì)為I0，則傳感器的正端輸出電壓為V1=I0R2，負(fù)輸出端電壓為V2=I0R3，傳感器在受到外力作用后輸出的信號為ΔV=V1-V2=2I0R，傳感器的輸出只與激勵(lì)電流I0和電阻的變化ΔR 有關(guān)，由于硅壓阻式傳感器很容易受到溫度的影響產(chǎn)生漂移，在恒壓模式下隨著溫度的變化，傳感器本身電阻R 的變化會(huì)對信號產(chǎn)生影響，因此，選擇恒流源作為傳感器的激勵(lì)［6］。傳感器激勵(lì)源的穩(wěn)定與噪聲大小直接影響著壓力敏感元件的輸出，因此，在確保低溫漂、低噪聲、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的選型原則下，選擇ADR4525 基準(zhǔn)源、AD8506 運(yùn)放構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路以及反饋電路。圖2 所示為傳感器激勵(lì)原理框圖。

圖2 激勵(lì)源原理圖Fig 2 Principle diagram of excitation source

2.2 溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

溫度補(bǔ)償電路用于對溫度發(fā)生變化時(shí)，敏感元件和構(gòu)成信號調(diào)理電路各主要元器件的輸入輸出特性的補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償電路提供兩類誤溫度漂移補(bǔ)償:零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償與靈敏度溫度漂移補(bǔ)償［7］。理想傳感器的輸出量與輸入量關(guān)系

式中 y 為傳感器輸出;x 為傳感器的輸入;b 為傳感器的零點(diǎn);k 為傳感器的靈敏度。

實(shí)際上傳感器由于受到環(huán)境溫度的影響，總是存在著一定的非線性。輸入與輸出的關(guān)系式為

式中 b0為傳感器的零點(diǎn)，b(T)為零點(diǎn)的溫漂，k0為傳感器的靈敏度，k(T)為靈敏度的溫漂，ε 為傳感器非線性系數(shù)。

補(bǔ)償?shù)脑頌閷，k 調(diào)整到精確的某個(gè)值，最大限度消除溫漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非線性成分。

2.2.1 零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償

由溫度引起零點(diǎn)變化而造成輸出變化的元器件中，壓力敏感元件所占比重最大，對零點(diǎn)補(bǔ)償原理如圖3 所示，溫度檢測元件的輸出作為補(bǔ)償端與待補(bǔ)償信號做加減運(yùn)算［8］，最終輸出信號即為零點(diǎn)補(bǔ)償后輸出。該部分設(shè)計(jì)中，溫度檢測元件選擇溫度傳感器AD590，AD590 封裝下、測量范圍寬、輸出線性，輸出信號噪聲僅為40 pA，補(bǔ)償信號不引入更多的噪聲;同時(shí)由于溫度傳感器的輸出以電流的形式輸出，因此，需要通過高精密電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號后，與待補(bǔ)償信號做加減運(yùn)算，電阻器阻值的大小根據(jù)測量的零點(diǎn)漂移大小計(jì)算。

圖3 零點(diǎn)補(bǔ)償原理Fig 3 Principle of zero point compensation

2.2.2 靈敏度溫度漂移補(bǔ)償

隨著溫度的變化傳感器的滿量程輸出也會(huì)隨之變化(即增益發(fā)生變化)，從輸出來看，該變化可歸一為壓力敏感元件的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)，需對傳感器的增益特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償原理如圖4 所示，溫度檢測元件檢測到溫度變化后，及時(shí)調(diào)整激勵(lì)源的基準(zhǔn)［9］，調(diào)整策略與增益溫度特性互補(bǔ)，即增益降低，則增強(qiáng)激勵(lì)源的基準(zhǔn)，由激勵(lì)源輸出相應(yīng)的恒流;同時(shí)可在敏感頭的橋臂上串、并聯(lián)電阻器調(diào)整增益特性［10，11］。

圖4 靈敏度補(bǔ)償原理Fig 4 Principle of sensitivity compensation

2.3 信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

信號調(diào)理電路用于將壓力傳感器輸出的差分信號進(jìn)行放大、濾波，原理圖如圖5 所示。壓阻式傳感器輸出的電壓信號大多為mV 級，采用儀表放大器AD8553 對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大，AD8553 為軌到軌輸出，最大失調(diào)電壓僅為20 μV，在頻響0.01 ～10 Hz 范圍內(nèi)噪聲峰峰值為0.7 μV，其中，R 應(yīng)大于3.92 kΩ;同時(shí)由于SM5420 輸出的為差分信號，在儀表放大器的輸入端需要添加抗射頻干擾的濾波電路，如圖5 所示，若儀表放大器輸入前濾波電路匹配不佳，輸入的某些共模信號將轉(zhuǎn)換為差模信號，因此，通常情況下所選的C2至少比C1或者C3大10 倍，用于抑制濾波電路不匹配帶來的雜散差分信號;基準(zhǔn)源ADR4525 為儀表放大器提供2.5 V 的參考電壓，用于調(diào)整信號的零位。儀表放大器的輸出信號需要進(jìn)行濾波處理，這里采用MAX295 芯片進(jìn)行濾波，該芯片為8 階巴特沃斯濾波器，操作簡單，只需提供輸入時(shí)鐘CLK 則可任意控制濾波器的截止頻率，輸入時(shí)鐘頻率與截止頻率的關(guān)系為50︰1。

圖5 信號調(diào)理電路Fig 5 Signal conditioning circuit

2.4 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

該部分電路主要是將補(bǔ)償后的模擬信號通過A/D 轉(zhuǎn)換器AD8330 將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，AD8330 為16 位采樣精度，采樣率最高可達(dá)1 MHz;采用已經(jīng)使用成熟的微型處理器C8051F410 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，微控制器通過SPI 接口采集到量化后信號，同時(shí)通過RS—485 總線轉(zhuǎn)USB 適配器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

3 傳感器標(biāo)定與測試結(jié)果

壓力傳感器的標(biāo)定主要是對零點(diǎn)和靈敏度的標(biāo)定。將壓力傳感器安裝到壓力腔體內(nèi)，共同放入高低溫試驗(yàn)箱，打開高低溫試驗(yàn)室箱并設(shè)置11 個(gè)間隔均勻的溫度值，在不同的溫度梯度下使用壓力泵對壓力腔體打壓，并記錄壓力傳感器在零位和滿量程時(shí)的輸出值，采用最小二乘法對記錄的值進(jìn)行擬合［12］，得到傳感器的零點(diǎn)溫度漂移值和靈敏度溫度漂移值。根據(jù)得到的值調(diào)整補(bǔ)償電路使傳感器的輸出滿足要求。

將經(jīng)過補(bǔ)償后的壓力傳感器放入高低溫試驗(yàn)箱，高低溫試驗(yàn)室箱內(nèi)溫度設(shè)置為25 ℃，在量程范圍內(nèi)設(shè)置10 個(gè)均勻的壓力測試點(diǎn)，將測試結(jié)果記錄到表1 中，采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得到補(bǔ)償后的傳感器靜態(tài)特性。

表1 傳感器靜態(tài)測試數(shù)據(jù)Tab 1 Static test datas of sensor

通過Matlab 擬合后得到傳感器輸入與輸出的線性關(guān)系式為y=0.020 x+2.454，如圖6(a)所示;經(jīng)過計(jì)算傳感器的靜態(tài)特性為非線性誤差為0.043%，遲滯為0.062%，重復(fù)性為0.027%，精度為0.085%，如圖6(b)所示，最大誤差位于點(diǎn)0 kPa 處，偏差為0.001 54 V，故非線性度小于1.54/(20.29×175)=0.043%，滿足設(shè)計(jì)的要求。在測試的過程中，由于一天當(dāng)中大氣壓強(qiáng)的變化測試結(jié)果會(huì)受到影響。

圖6 數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig 6 Data fitting results

4 結(jié)束語

結(jié)合大量的工程實(shí)踐，所設(shè)計(jì)的壓力傳感器的校準(zhǔn)系統(tǒng)已成功用于某飛行器氣動(dòng)參數(shù)測試系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、安裝簡單。在微型化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了飛行器表面壓力場分布的實(shí)時(shí)性測試，并且測試精度提高到了0.1%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:精度達(dá)到了要求，傳感器的溫度性能得到了改善，為飛行器和其它武器裝備在惡劣環(huán)境下的研究提供了保障。

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