VOUT = VB × (P × S0 × (1 + S1 × (T - T0)) + U0 + U1 × (T - T0)) (式 1)

式中,VOUT 为电桥输出,VB 是电桥的激励电压,P 是所加的压力,T0 是参考温度,S0 是 T0 温度下的灵敏度,S1 是灵敏度的温度系数(TCS),U0 是在无压力时电桥在温度 T0 输出的偏移量(或失衡),而 U1 则是偏移量的温度系数(OTC)。

式 1 使用一次多项式来对传感器进行建模。有些应用场合可能会用到高次多项式、分段线性技术、或者分段二次逼近模型,并为其中的系数建立一个查寻表。无论使用哪种模型,数字校准时都要对 VOUT、VB 和 T 进行数字化,同时要采用某种方式来确定全部系数,并进行必要的计算。式 2 由式 1 整理并解出 P。从式 2 可以更清楚地看到,为了得到精确的压力值,数字计算(通常由微控制器(µC)执行)所需的信息。

P = (VOUT/VB - U0 - U1 × (T-T0))/(S0 × (1 + S1 × (T-T0)) (式 2)

电压驱动

图 1 电路中的电压驱动方式使用一个高精度 ADC 来对 VOUT (AIN1/AIN2)、温度(AIN3/AIN4)和 VB (AIN5/AIN6)进行数字化。这些测量值随后被传送到µC,在那里计算实际的压力。电桥直接由电源驱动,这个电源同时也为 ADC、电压基准和µC 供电。电路图中标有 Rt 的电阻式温度检测器用来测量温度。通过 ADC 内的输入复用器同时测量电桥、RTD 和电源电压。为确定校准系数,整个系统(或至少是 RTD 和电桥)被放到温箱里,向电桥施加校准过的压力,并在多个不同温度下进行测量。测量数据通过测试系统进行处理,以确定校准系数。最终的系数被下载到µC 并存储到非易失性存储器中。

电流驱动式传感器如何对 STC 进行补偿?

图 1. 该电路直接测量计算实际压力所需的变量(激励电压、温度和电桥输出)

设计该电路时主要应考虑的是动态范围和 ADC 的分辨率。最低要求取决于具体应用和所选的传感器和 RTD 的参数。为了举例说明,使用下列参数:

系统规格

满量程压力:100psi

压力分辨率:0.05psi

温度范围:-40°C 到+85°C

电源电压:4.75 到 5.25V

压力传感器规格

S0 (灵敏度): 150 到 300µV/V/psi

S1 (灵敏度的温度系数): 最大 -2500ppm/°C

U0 (偏移): -3 到+3mV/V

U1 (偏移的温度系数): -15 到+15µV/V/°C

RB (输入电阻): 4.5k

TCR (电阻温度系数): 1200ppm/°C

RTD: PT100

α: 3850ppm/°C (ΔR/°C = 0.385,Ω额定值)