工业压力检测应用中对信号调理的要求

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压力检测在工业过程控制系统中的流行程度仅次于温度检测,是排名第二位的测量技术。电阻桥路被广泛地用于将物理压力转换为一个电信号输出,以便能够用于控制系统。通常这些输出信号很微弱,因此在将它们用于检测与控制系统之前需要进行放大、滤波和模数转换。本文介绍在工业压力检测应用中对信号调理的要求。

压力检测

通过检测机械元件的位移动来测量压力,例如压力表膜片、布尔登气压计、波纹管和膜盒,当它们受到压力作用时会产生位移。该位移使应变计的电阻值发生改变。最流行的压力传感器采用的是一种惠斯通(Wheatstone)电阻电桥结构的应变计,其内部是由四个阻值可变的元件构成,因此它具有最佳的线性度和灵敏度。当膜片受到压力时,电桥中的两个压力元件会产生张力;而另外两个压力元件会产生压力。用与此对应的电阻值变化量来度量产生的压力大小。

信号调理

为产生一个电信号,用一个恒压源或者恒流源激励电桥。这种电信号通常很微弱并且受到噪声、失调和增益误差的影响。在对电桥的输出信号数字化处理之前,必须先将其进行放大和失调处理以便与数模转换器(ADC)的输入范围相匹配,然后再滤除噪声。虽然信号调理模块能够用运算放大器和分立电路元件构成,但是集成的仪表密放大器具有节省成本、印制电路板面积、和设计时间的优点。

在典型的压力传感器应用中,电阻电桥输出的电压差分信号(其输出范围从几十到几百毫伏)与传感器受到的压力和对电桥施加的激励电压成比例。为了精确地从高共模电压中检测出这种微弱的差分输出电压,仪表放大器抑制高共模电压信号的能力的是非常必要的。例如,12 bit分辩率的ADC要求最低有效位(LSB)小于25 μV(100 mV/4096),或者相对2.5 V共模电压约为100 dB以下。

手动电桥补偿

压力传感器中惠斯通电桥通常都采用手动补偿的方法以消除它们的失调和量程误差。这需要在仪器制造过程中包括调整失调、失调温度漂移、量程和量程温度漂移的步骤。调整这些误差需要时间和成本。另一方面,通过一个数模转换器(DAC)将一个可设置的直流电压施加到仪表放大器参考引脚也可以调整失调电压。失调校正是必须的,因为失调电压将降低ADC的有用动态范围。

由于在压力传感器中增益的不确定性,使得在大多数基于仪表放大器的系统中都需要增益调整。传统的做法是增加一个与仪表放大器外部增益电阻器串联的调整电位器。为在较宽的温度范围内达到较好的性能水平,设计工程师应采取软件控制增益补偿。

集成解决方案

图1示出一种采用集成的零漂移数字可编程的信号调理器实例,它提供了从传感器到ADC的完整信号路径。它包括一个由三个自动调零放大器(A1,A2,A3)构成的仪表放大器、用于调节两级增益的数字电位器、一个用于调节失调的DAC、开路和短路检测电路、一个保护控制系统的输出钳位电路和一个后备的低通滤波器。

图一AD8555仪表放大器功能框图

FILT /DIGOUT=滤波器/数字输出

为防止传感器电桥的负载过重,差分输入的两个端子(VPOS和VNEG)具有高输入阻抗和低偏置电流的特性。自动调零电路通过不断地修正放大器所产生的直流误差使失调和失调漂移降到最低。

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