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采用電橋構(gòu)成測量差壓的傳感器電路，是一種具有較高靈敏度的測量方法。擴(kuò)散硅變送器主要就是電阻有源惠斯登全電橋壓力測量電路。它能在達(dá)到較高精度和穩(wěn)定性的前提下，使變送器具有較強(qiáng)的實(shí)用性，如零點(diǎn)/量程的調(diào)整和遷移方便快速。但是，一些文獻(xiàn)[1，2]對擴(kuò)散硅電橋傳感器的介紹過于簡單，僅限于定性分析。本文將定量分析擴(kuò)散硅傳感器測量電路中采用的零點(diǎn)/量程調(diào)整、輸出信號的反饋穩(wěn)定等技術(shù)措施。
1 傳感器電橋工作原理
傳感器測量電路如圖1所示。無差壓時，電橋兩臂電流相等。差壓信號加到四個硅壓敏電阻上，壓敏電阻的阻值隨差壓而變化，引起電橋不平衡。電橋輸出電壓饋入放大器A1。A1的輸出電壓通過晶體管Q8改變輸出電流I0的大小。I0流過電橋的電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，使電橋恢復(fù)平衡。這樣，電橋輸出電壓的變化與差壓變化成對應(yīng)比例關(guān)系。從而將差壓的變化直接轉(zhuǎn)換成電信號。
2 定量分析和計算
2．1 測量電路和量程調(diào)整
圖2是包括零點(diǎn)及量程調(diào)整電路、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和差壓傳感電橋的測量電路。恒流源I0表示輸出電流。四個橋臂電阻是R1S、R3S、R4S和R6S。當(dāng)被測的正壓力增加時，R1S和R6S阻值減小，R3S和R4S阻值增加，電橋的輸出信號VBr負(fù)向增加。這個VBr對應(yīng)于被測壓力變化值的電壓偏差信號。經(jīng)過測量電路中負(fù)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的作用，VBr信號將保持非常接近于零。
基本反饋電壓公式是
Vfb=V1-V2=IO1[aR2+R1]
對應(yīng)于傳感器的量程上限壓力，壓敏電阻和電橋給出最大變化和最大不平衡。此時，為了保持VBr接近于零，需要最大的反饋電壓值。當(dāng)式（1）中a=1，IO2=0時，Vfb值最大，傳感器得到最大的測量范圍。量程粗調(diào)螺釘處于A位而R2滑動頭處于最下部時，就滿足以上要求。而當(dāng)a=0，IO2最大時，測量范圍最窄，這種情況是三顆粗調(diào)螺釘同時處于B、C、D位置，而R2滑動頭又處于最上部。通過R2滑動頭和粗調(diào)螺釘其他位置的組合，可獲得中間的測量范圍。R2有充分的調(diào)節(jié)范圍，以便在由量程調(diào)整粗調(diào)螺釘對應(yīng)不同的粗調(diào)范圍之間提供重疊。
電橋輸出處得到反饋電壓Vfb的分量為
2．2 零點(diǎn)調(diào)整和遷移電路
圖3是基本電橋電路加上遷移±100%的電路。電橋兩側(cè)中間各插入一個1000Ω的電阻串。這串電阻有六個電壓輸出點(diǎn)以提供所需的零點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍。即：
VBr=Vpress.signal-Vfb+Vsp (2)
由于Vfb近似等于零，于是有
式中，a由調(diào)零電位器R11上滑動觸點(diǎn)的位置決定。從公式（4）可以看到，調(diào)零電位器和螺釘?shù)牟煌恢脤?yīng)于不同的Vsp，這就是輸出零點(diǎn)能夠被調(diào)整的原因。調(diào)零電位器處于上端時，a=1，Vsp最大。螺釘提供零位粗調(diào)，調(diào)零電位器提供零位細(xì)調(diào)。
作者：
蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（江蘇蘇州 215000） 施教芳
徐州師范大學(xué)工學(xué)院電氣系（江蘇徐州 221001） 陳傳虎
蘇州科技學(xué)院電子系 （江蘇蘇州 215000） 王 儉
