桥式硅压阻器件在气压测量中的应用

　　0　引　言

　　气体压力测量在工业仪表、医疗器具、气压表、高度计、压力开关、充气设备等许多工业设备中应用非常广泛[1, 2]。

　　气体压力测量既可以采用水银气压表和空盒气压表机械装置,也可以使用以压力传感器为信号转换器的装置。但是,传统气压传感器精度低、体积大,使用受到很多限制。振动筒式压力传感器测量精度可达0. 02%,能够实现高精度数字化测量。但它测压范围很小、结构复杂、成本高,应用领域受到限制。而新型的桥式硅压阻器件因其机构简单、品种多、性能价格比高,应用日益广泛[3]。本文对它的工作原理、性能指标进行了介绍。在此基础上,设计了一种医用容器气压测量装置。

　　1　桥式硅压阻器件

　　桥式硅压阻器件采用集成电路的扩散工艺,把硼杂质掺入硅片而形成力敏电桥制成的。

　　桥式硅压阻器件受到力的作用后,电阻率发生显著的变化,这种效应称为压阻效应。硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时,其内部原子结构的电子能级状态会发生变化,从而导致其电阻率剧烈变化(G因子突变)。利用这种压阻效应原理,采用集成工艺技术经过掺杂、扩散,制成电阻应变计,构成惠斯登电桥后封装,就是桥式硅压阻器件。这种压阻器件是将输入的机械量应变ε转换为电阻值变化的转换器件。

　　本文选用FPn2605PgR型桥式硅压阻器件作为测量系统检测部件。它是一个双列直插封装的器件,器件上方有一个直径6mm的进气口,测量范围为±34. 47 kPa,线性度为±0. 3% FS,电桥阻抗为4~6 kΩ,响应时间为2ms,激励电流为1. 5mA。

　　2　系统应用实例

　　2.1　前置变换电路设计

　　桥式硅压阻器件是一个由四臂电阻应变计构成的惠斯登电桥,其中,各臂电阻R在压力作用下,一组对边电阻变为R+ΔR,另一组对边电阻变为R-ΔR。而在温度变化作用下,所有电阻均变化为R+ΔRT。若采用恒压激励,则输出为：

　　可以看出:输出电压V与温度有关,且为非线性,所以,用恒压源供电时,不能消除温度的影响。若采用恒流激励则输出：

　　可以看出:输出电压V与温度无关,这就消除了温度对传感器输出信号的影响[5]。通常直流电桥采用恒压源激励,考虑桥式硅压阻器件的温度系数较大,采用恒流源激励可以进一步提高电桥输出精度。桥式硅压阻器件激励电路如图1所示,由基准电压、运算放大器、恒流电阻、调零电位器和电桥组成。  

　　图中,Ri=820Ω为恒定电流调整电阻, I=V0/Ri=1235/820=1. 506mA。Rw为调零电位器,在没有气压输入情况下,调整电位器使V1=V2,从而消除电桥的静态误差。