李　純，湛華海，程靜賢

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽　621000)

0　引言

近年來，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，壓力測量已經(jīng)深入到科研和工程技術(shù)的各個領(lǐng)域，尤其是近年來由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度∑-△、A/D與D/A變換器件的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了扎實的物質(zhì)基礎(chǔ)。對于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部連接線，對于量程浮動、輸出信號可遠傳和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以及一機多用——即以同一檢測模板用于不同物理量的檢測場合，并滿足多種線性與非線性輸入信號的精度要求等課題，已越來越為廣大科技人員所關(guān)注[1]。

在工業(yè)現(xiàn)場有大量的壓力測點需要測量。選擇高性能的信號調(diào)理器，將傳感器信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號進行現(xiàn)場傳輸，解決工控現(xiàn)場干擾的影響，顯得尤為關(guān)鍵。文中介紹了基于INA333和XTR115的壓力變送器，完成對傳感器信號調(diào)理，將傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出，外圍電路簡單，具有精度高、抗干擾性能強、能耗低、安全可靠等特點。

1　研究原理

壓力變送器硬件包括傳感器模塊、信號放大模塊和V/I轉(zhuǎn)換模塊。傳感模塊將被測物理量轉(zhuǎn)換成電信號，信號放大模塊通過儀表放大器對傳感器微弱信號進行濾波、放大，然后通過電壓-電流轉(zhuǎn)換模塊進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，實現(xiàn)4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)[2-4]

2．1壓力敏感元件

設(shè)計中采用MPM280型壓阻式壓力敏感元件。它是一種不銹鋼波紋膜片隔離的充油式OEM壓力敏感元件。被測壓力通過隔離膜片和灌注的硅油傳遞到具有惠斯登電橋和精密力學(xué)結(jié)構(gòu)的硅壓敏芯片上，實現(xiàn)了被測壓力和輸出信號的精確轉(zhuǎn)換。敏感元件經(jīng)計算機自動測試，通過激光調(diào)阻進行零點和溫度性能補償。元件尺寸具有較強的互換性，可廣泛用于與不銹鋼和氟橡膠相兼容的各種流體壓力的檢測。

2．2壓力變送器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．2．1外形接口設(shè)計

壓力變送器結(jié)構(gòu)設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)接口，機械連接采用M20X1標(biāo)準(zhǔn)螺紋，通過六方進行擰緊作業(yè)，電氣連接采用郝斯曼接頭。產(chǎn)品接口標(biāo)準(zhǔn)，安裝適用性強。

2．2．2變送器內(nèi)部設(shè)計

為了確保敏感芯片的高穩(wěn)定性、高可靠性和高精度，芯片在結(jié)構(gòu)體內(nèi)安裝采用“懸浮式”結(jié)構(gòu)，在徑向通過氟橡膠密封圈連接，在軸向可有一定間隙的余量，能自由浮動。這種結(jié)構(gòu)消除了敏感芯片在裝配時產(chǎn)生的機械應(yīng)力[5-6]。同時，變送器安裝螺紋及六方設(shè)計均遠離敏感芯片安裝區(qū)域，實現(xiàn)真正意義上的無應(yīng)力安裝。如圖1所示。

圖1　變送器安裝結(jié)構(gòu)圖

2．3變送器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

變送器在設(shè)計上還考慮了壓力測量通道、變送器安裝、線纜輸出等各項功能的實現(xiàn)，變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，總體尺寸小。

3　變送電路設(shè)計及溫度補償

3．1電路設(shè)計

變送電路主要由傳感器信號放大和V/I轉(zhuǎn)換2個部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示[7-8]。

圖2　變送電路圖

傳感器信號放大選用INA333芯片。該芯片通過專有的開關(guān)電容型陷波濾波技術(shù)來消除斬波噪聲，確保了芯片50 nV/rt-Hz的超低輸入電壓噪聲；芯片采用零漂移技術(shù)，實現(xiàn)電路高精度和長期穩(wěn)定性；芯片具有75 μA的靜態(tài)電流與1．8 V的電源工作電壓，大大提升了電源效率[9-10]。

V/I轉(zhuǎn)換部分的核心是XTR115電流環(huán)芯片。XTR115芯片是專為工業(yè)控制領(lǐng)域4～20 mA電流環(huán)設(shè)計的芯片，電流放大增益系數(shù)為100。 它的供電電壓為7．5～36 V，同時具有5 V的電源輸出和2．5 V的參考源輸出，這大大降低了系統(tǒng)設(shè)計的難度，同時提高了電流環(huán)輸出的精度[11-12]。

設(shè)計中，在XTR115前端增加由D1、D2、D3、D4組成的二極管整流橋，可以防止使用時電源線反向而導(dǎo)致電路損壞，并且采用電壓保護二極管D5，將電源門限控制在36 V之內(nèi)，防止電路電壓過載。INA333芯片和傳感器供電均由XTR115芯片提供，XTR115能提供小于4 mA的供電電流，INA333芯片的超低功耗，為傳感器供電提供了充分保障，傳感器供電能達到3．5 mA，可以保證傳感器正常工作[13]。在INA333的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術(shù)，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低RF引起的失調(diào)電壓變化的影響。

3．2溫度補償

為提高傳感器精度和長期穩(wěn)定性，通過對硅壓阻式壓力傳感器采用PN結(jié)補償法對傳感器溫度偏差實施補償，以減小傳感器存在零點偏差和溫度漂移對變送器整體輸出信號的影響[14]。如圖3所示。

圖3　PN結(jié)補償法原理圖

通過利用PN結(jié)的偏置電壓靈敏度為-2 mV/℃的負溫度特性，在電橋電源部分增加一個或多個PN結(jié)，對傳感器溫度漂移誤差進行補償。二極管的數(shù)量由下述公式來決定：

式中：θ為二極管的溫度系數(shù)，一般取-2 mV/℃；ΔT為溫度變化范圍；ΔU為變化的電橋需要變化的電壓數(shù)值。

4　性能試驗及結(jié)果

研制過程中，主要針對變送器進行了抗高頻干擾對比試驗、溫度性能試驗、零點漂移試驗和線性度測試。

4．1干擾對比試驗

試驗環(huán)境：常壓；試驗溫度：20 ℃；試驗方式：利用現(xiàn)有試驗條件，采用高頻對講機為干擾源，對課題研究的變送器和采用普通放大器搭建的變送器進行性能干擾測試對比。試驗結(jié)果如下：

(1)課題研究的變送器：對講機干擾源在20 cm范圍內(nèi)，變送器波動小于40 mV；在20 cm之外，變送器波動小于10 mV．

(2)普通變送器：對講機干擾源在20 cm范圍內(nèi)，變送器波動達500 mV；在20 cm之外，變送器波動達85 mV．

通過上述結(jié)果可見，課題研制的變送器抗干擾性能良好，即使在復(fù)雜環(huán)境下使用，也不會影響變送器正常工作。

4．2溫度性能試驗

測試過程中通過串接250 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻測量輸出電壓值，以下同。

溫度試驗將溫度調(diào)節(jié)至指定溫度點，持續(xù)1 h后進行數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)如表1，圖4為試驗時間為1 h的溫度曲線圖。

表1　溫度性能試驗

圖4　溫度曲線圖

試驗結(jié)果：在60 ℃以下溫度范圍內(nèi)，變送器溫度漂移為1.3 mV/℃，溫度漂移精度優(yōu)于0．05%FS/℃．

4．3零點漂移試驗

試驗環(huán)境：常壓；試驗溫度：20 ℃；試驗時間：3 h；試驗結(jié)果：由原始值1．250 V變化至1．251 V，穩(wěn)定性優(yōu)于0．1%。

4．4線性度標(biāo)定

具體標(biāo)定參數(shù)如表2所示。

表2　線性度標(biāo)定

試驗結(jié)果：線性度和重復(fù)性均優(yōu)于0．2%。

5　結(jié)論

通過一系列的性能試驗，驗證了該變送器的實際精度達到預(yù)期目標(biāo)，具有較好的溫度性能、長期穩(wěn)定性和抗高頻干擾性能，該變送器滿足實際應(yīng)用的要求，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]單繼忠．智能變送器設(shè)計：[學(xué)位論文]．天津：天津大學(xué)．2004．

[2]費業(yè)泰．誤差理論與數(shù)據(jù)處理．北京：機械工業(yè)出版社，1995．

[3]王為，汪建曉．機械設(shè)計．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007．

[4]趙汝嘉．機械結(jié)構(gòu)有限元分析．西安：西安交通大學(xué)出版社，1990．

[5]施涌潮，梁福平，牛春暉．傳感器檢測技術(shù)．北京：國防工業(yè)出版社，2007．

[6]王平，王金文，董玉榮．壓力傳感器中安裝應(yīng)力的產(chǎn)生及解決措施．傳感器技術(shù)，2000，19(3)：49-50．

[7]XTR115，XTR116 4-20mA current loop transmitters[DB/OL]．[2003-07-21]．http：//www．ti．com．cn /cn/lit/ds/sbos124a/sbos124a．pdf．

[8]Using the XTR115 with the PGA309 to generate 4mA to 20mA output[DB/OL]．[2006-04-20]．http：//www．ti．com．cn/cn/lit/an/sboa107b/sboa107b．pdf．

[9]INA333 micro-power (50 μA)，zer φ-drift，rail-to -rail out instrumentation amplifier[DB/OL]．[2008-10-30]．http：//www．ti．com．cn/cn/lit/ds/sbos445b/sbos445b．pdf．

[10]陳楠．INA333：低功耗零漂移儀表放大器．世界電子元器件，2008(8)：90．

[11]張華棟，孫麗麗．用TMS320LF2407和XTR115設(shè)計電流環(huán)通訊口．電子產(chǎn)品世界，2005，21：90-91．

[12]昝勇，羅永紅，王沛瑩．XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用．電子設(shè)計工程，2011，19(8)：190-192．

[13]沙占友，白云飛，安國臣．集成化精密電流變送器的原理與應(yīng)用．電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7(4)：235-237．

[14]樊尚春，彭春榮．硅壓阻式傳感器的溫度特性及其補償．微納電子技術(shù)，2003(7)：484-488．