概述
在現(xiàn)代工業(yè)控制和系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域,通常需要監(jiān)測、測量壓力和重量。由于壓力可直接用來測量流體、高度及其它物理量,壓力測量尤其重要。由于加載是影響傳感器輸出的一項屬性,壓力、重量測量裝置可以看作是“加載傳感器”。加載傳感器的應(yīng)用非常廣泛,包括從真空計到重型機(jī)械稱重,以及工業(yè)液壓設(shè)備、絕對壓力傳感器(MAP)等各個領(lǐng)域。每種應(yīng)用對精度、準(zhǔn)確度和成本都有不同的具體需求。
壓力傳感器
雖然壓力和重量(加載/感應(yīng))的測量方法和技術(shù)有許多,但最常用的測量裝置是應(yīng)力計。
最常見的應(yīng)力計有兩種:一種是重量/壓力傳感器大多采用的金屬箔;另一種是基于半導(dǎo)體的壓阻式傳感器,廣泛用于壓力測量。相對于金屬箔傳感器,壓阻式傳感器靈敏度更高,線性度也更好,但容易受溫度的影響,并有一定的初始偏差。
從原理上講,所有應(yīng)力計在受到外力時都會改變電阻值。因此,有電信號激勵時,即可有效地將壓力、重量轉(zhuǎn)換成電信號。通常在惠斯通電橋(有時稱為測壓元件)上放置1個、2個或4個這樣的有源電阻元件(應(yīng)力計),從而產(chǎn)生與壓力或重量對應(yīng)的差分輸出電壓。
工程師可以設(shè)計一種能夠滿足多種加載/感應(yīng)系統(tǒng)需求的傳感器模塊。一款成功的設(shè)計需要包括用于檢測物理量的傳感器元件和設(shè)計合理的信號鏈路。
完備的信號鏈路方案
傳感器信號鏈路必須能夠處理帶有噪聲的弱信號。為了準(zhǔn)確測量電阻式傳感器輸出電壓的變化,電路必須具備以下功能:激勵、放大、濾波和采集。有些解決方案可能還要求采用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)對信號進(jìn)行處理、誤差補(bǔ)償、數(shù)字放大以及用戶可編程操作。
激勵
具有極低溫漂的高精度、穩(wěn)定的電壓或電流源常常用作傳感器激勵。傳感器輸出與激勵源成比例(往往以mV/V表示)。因此,設(shè)計時,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和激勵電路通常采用一個公共基準(zhǔn),或者將激勵電壓作為ADC的基準(zhǔn)。可以利用附加的ADC通道精確測量激勵電壓。
傳感器/電橋
信號鏈路的這部分功能包括應(yīng)力傳感器,它被放置在測壓元件(惠斯通電橋設(shè)計)部分,如上文中的“概述”部分。
放大和電平轉(zhuǎn)換—模擬前端(AFE)
有些設(shè)計中,傳感器輸出電壓范圍非常小,要求分辨率達(dá)到nV級。這種情況下,在將傳感器輸出信號送至ADC輸入之前,必須對信號進(jìn)行放大。為了防止放大階段引入誤差,需要選擇低失調(diào)電壓(VOS)、低溫漂的低噪聲放大器(LNA)?;菟雇姌虻娜秉c是共模電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號。這意味著LNA還必須具有非常高的共模抑制比(CMRR),通常大于100dB。如果采用單端ADC,則需附加電路在數(shù)據(jù)采集之前消除較高的共模電壓。此外,由于信號帶寬很窄,放大器的1/f噪聲也會引入誤差。因此,最好采用斬波穩(wěn)定放大器。使用分辨率非常高的ADC,占用滿量程范圍的一小部分有助于降低對放大器的苛刻要求。
壓力傳感器與稱重傳感器
采集—ADC
選擇ADC時需嚴(yán)格確認(rèn)其技術(shù)指標(biāo),例如:無噪聲范圍或有效分辨率,該指標(biāo)表示ADC能夠辨別固定輸入電平的能力。一種替代指標(biāo)是無噪聲計數(shù)或編碼。大多數(shù)高精度ADC的數(shù)據(jù)資料把這些指標(biāo)表示為噪聲峰值或RMS噪聲與速度的對應(yīng)關(guān)系表,有時也以噪聲直方圖的形式表示這些指標(biāo)。
其它需要考慮的ADC指標(biāo)包括:低失調(diào)誤差、低溫漂及優(yōu)異的線性度。對于特定的低功耗應(yīng)用,速度與功耗的關(guān)系也是非常重要的規(guī)格。
濾波
傳感器信號的帶寬一般很窄,對噪聲的敏感度較高。因此,通過濾波限制信號的帶寬可顯著降低總體噪聲。利用Σ-Δ ADC能夠簡化噪聲濾波要求,因為這種架構(gòu)提供固有的過采樣特性。
數(shù)字信號處理(DSP)—數(shù)字域
除模擬信號調(diào)理外,為了提取信號并降低噪聲,還需要在數(shù)字域?qū)λ杉男盘栕鬟M(jìn)一步處理。通常需要找到針對具體應(yīng)用及其細(xì)微差別的算法。有些通用算法,例如,數(shù)字域的失調(diào)和增益校準(zhǔn)、線性化處理、數(shù)字濾波和基于溫度(或其它制約因素)的補(bǔ)償。
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壓力傳感器
壓力傳感器與稱重傳感器
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