自容式海洋压力测量系统设计
电子质量(2012第10期)
绿色质量观察
自容式海洋压力测量系统设计
Low Power and High-precision Bridge Pressure Measurement System Design Based on
Atmegal6a
王磊,范寒柏,王涛,陈绍权(华北电力大学电子与通信工程系,河北
保定071003)
Wang Lei, Fan Han-bai, Wang Tao, Chen Shao-quan(Department of Electronic and
Communication Engineering, North China Electric Power University, Hebei Baoding
071003)
摘要:在海洋科学研究中,压力测量技术已经得到广泛应用。针对海洋科学研究领域对低功耗、高精
度及宽温度范围的需求,系统描述了一个使用硅压力传感器的设计方案,并给出了一种硅压力传感器
的温度补偿方法及其标定算法,实现了宽温度范围下硅压力传感器的高精度测量。
关键词:压力测量;温度补偿;高精度
中图分类号:TP342.3文献标识码:A文章编号:1003-0107(2012)10-0029-03
Abstract: In oceanographic science, pressure measurement technology has been used widely In de-
mand of low power, high-precision and wide temperature range for the field of oceanographic science,
the design of a pressure measurement system using silicon pressure sensor was gived, a method of tem
perature and compensation calibration for silicon pressure sensor was described, achieve high-precision
pressure measurement in wide temperature range
Key words: pressure measurement; temperature compensation, high-precision
CLC number: TP3423
Document code: A
Article ID:1003-0107(2012)10-0029-03
0引言
2E力测量部分电路设计
随着压力测量系统的广泛应用,对压力测量系统的精
当前,对硅压力传感器的温度补偿方法主要有两
度要求越来越高。虽然硅传感器的加工工艺水平也在不断种:一是使用独立的温度传感器测量环境温度进行补
提高,但其半导体特性导致的温度漂移现象仍然不可避偿;二是使用电阻网络进行补偿。前者电路复杂,补偿
免,且温度漂移成为影响传感器精度的主要原因。因此,补精度不高,现已经较少使用。
偿硅压力传感器的温度漂移误差是很有必要的。本文给出
使用电阻网络进行补偿具有电路简单的优点,这
了一种基于硅压力传感器的新型温度补偿测量电路,并给里使用 KELLER公司的带补偿电阻网络的硅压力传感
出了相应的标定算法,使硅压力传感器的测量精度在器,其典型电路如图1所示。
0-40℃范围内达到满量程的万分之五。
1系统概述
本系统采用 ATMEL公司的 Atmegal6A作为控制芯
OUT
片,主要分为压力测量部分、数据存储部分和时钟部分リ。
+OUT
系统由一节锂电池供电,由单片机控制时钟部分设置采样
间隔等采样参数,测量压力数据后,单片机控制断开压力
测量部分的供电,并使自身进入掉电休眠模式,这就大大
地降低了功耗,使整个系统的工作电流在4mA左右,休眠
功耗不大于30uA
作者简介:王磊(1988-),男,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统、小信号测量;
图1 KELLER硅压力传感器典型电路
范寒柏1963-),男,副教授、硕土研究生导师,硕士,研究方向为嵌入式系统、小信号测量。
万方数据
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自容式海洋压力测量系统设计
在图1中,R1、R2、R3、R4、R5为补偿电阻。
R+R)-R+R)=R+Rs-R-R)(2)
KELLER公司还针对每个压力传感器给出了对应的
参数信息,如表1所示。
仪表放大器A3测量传感器两个输入端之间的电压
差V,即
表1 KELLER公司给出的部分压力传感器参数
Vr=I Rp
Temp/℃
Zero/mv
Comp/mv
dzero/mv
其中,R为包含补偿电阻的压力传感器的总阻值。
9.5
15.0
0.8
0.3
由式(1)和式2可知,V反应了压力变化,V反应了压
0.1
15.2
0.8
力传感器与温度相关的总电阻R,的变化。故只要测得V
25.1
157
0.5
0.0
的值,就可以对表示压力值的V进行误差较小的补偿。
50.1
16.4
0.3
0.2
vp由一个高精度24bi模数转换器进行测量。我们
79.9
17.2
0.1
0.6
选用了凌特公司的ADC芯片LTC2400。LTC2400是一款
COMP RI=510k2,R3=0.002
24位高精度Σ一△模数转换器,输人电压范围为
0.125Vwr~1.125V,在转换正电压的同时还兼顾了
RB
345742
定的转换负电压的能力,很适用于使用硅压力传感器的
SENS 9.55m V/bar at 1.000MA
压力测量系统中。
SENS 38.20m V/bar at 4.000MA
AD基准源V由产生恒流源的电压Vx提供,这就
表1上部分为电阻网络补偿前和补偿后的电压参构成了比例测量。当Va发生变化时,虽然恒流源电流人、
数,其中Temp为测试温度,Zem为不加补偿时的零点输。v和V也同时发生变化,但其变化的比例与Va及Vm
出值,Comp为加上补偿电阻后的零点输出值,dZem为都是相等的,这就消除了AD基准电压的漂移及Va变
以25℃为基准各个温度下的零点偏移值。表1同时给出化对测量结果的影响。尤其是在电池供电的自容式压力
了补偿电阻R1、R和传感器内惠斯通电桥的阻值RB及测量系统中,保证在电池电压衰减而不影响测量结果的
lmA、4mA电流驱动下传感器的灵敏度。
同时,省去了提供基准源V的电路,降低了整个系统的
由此可以看出,经过电阻网络补偿后,压力传感器仍功耗和成本,意义重大。
存在着较大的温度漂移。这是由于硅压力传感器的半导
由单片机的内部AD转换器进行转换。单片机
体特性,传感器自身的体电阻会发生变化,导致输出值发 Atmegal6A的内部自带了10位的模数转换器,基准源
生漂移。当使用恒流源驱动传感器时,虽然电阻补偿网可以使用单片机内部产生的256V基准源,也可以外接
络起到了一定的效果,但仍不
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