LCR電橋測(cè)量基礎(chǔ)知識
LCR電橋測量(liáng)基(jī)礎知(zhī)識
LCR電橋是精(jīng)密測量電(diàn)阻(zǔ)或其(qí)他(tā)模擬量的一種(zhǒng)有效的方法。本(běn)文(wén)介紹(shào)了(liǎo)如何(hé)實現(xiàn)具有(yǒu)較大(dà)信號輸出(chū)的(dí)矽(guī)應變(biàn)計與(yǔ)模(mó)數(shù)轉換(huàn)器(ADC)的接口，特別是Σ-Δ ADC，當使(shǐ)用矽(guī)應(yīng)變(biàn)計時(shí)，它(tā)是一種(zhǒng)實現壓(yā)力(lì)變(biàn)送(sòng)器(qì)的(dí)低(dī)成(chéng)本方案(àn)
矽應變計
1矽(guī)應變計的(dí)優(yōu)點(diǎn)在(zài)於(yú)高(gāo)靈敏度(dù)，它(tā)通(tōng)過感應由應力引(yǐn)發(fā)的矽材料體電阻變化(huà)來(lái)檢(jiǎn)測(cè)壓力(lì)。相(xiāng)比(bǐ)於金屬箔或粘(nián)貼(tiē)絲式應(yīng)變計，其輸出通常要(yào)大一個(gè)數量級(jí)。這(zhè)種(zhǒng) 矽(guī)應變計的輸出信(xìn)號(hào)較大，可以(yǐ)與較廉價的(dí)電子器(qì)件(jiàn)配(pèi)套使用。但是(shì)，這些小(xiǎo)而(ér)脆器件(jiàn)的安(ān)裝(zhuāng)和連(lián)綫(xiàn)非常困難，因而增加了(liǎo)成本(běn)，限製(zhì)了它們在粘貼式應變計應(yīng)用(yòng)中 的使用。
2不過，用(yòng)MEMS工藝製作(zuò)的矽壓力(lì)傳感(gǎn)器(qì)卻(què)克(kè)服了(liǎo)這(zhè)些弊(bì)病。這種MEMS壓(yā)力(lì)傳感器采(cǎi)用(yòng)了(liǎo)標(biāo)準的半導體(tǐ)工(gōng)藝和(hé)特(tè)殊的蝕(shí)刻技術。這種(zhǒng)特殊的蝕(shí)刻技術可 選擇性地從晶圓的背麵除去一部分(fēn)矽，從(cóng)而生(shēng)成由堅固的矽邊(biān)框(kuàng)包圍(wéi)的(dí)，數以百(bǎi)計的(dí)方形薄(báo)膜(mó)。而在晶(jīng)圓(yuán)的(dí)正麵(miàn)，每一(yī)個(gè)小薄膜(mó)的(dí)每(měi)個邊(biān)上(shàng)都(dū)植入(rù)了(liǎo)一個(gè)壓(yā)敏電阻(zǔ)， 用金(jīn)屬綫把(bǎ)小薄(báo)片周(zhōu)邊(biān)的(dí)四(sì)個電(diàn)阻連(lián)接(jiē)起來(lái)就(jiù)形成一個惠斯登電(diàn)橋(qiáo)。*後，使用(yòng)鑽(zuān)石(shí)鋸從晶(jīng)圓(yuán)上鋸下各個傳感(gǎn)器。這時(shí)，矽傳感器已(yǐ)經初(chū)具(jù)形(xíng)態(tài)，但(dàn)還(huán)需要(yào)配(pèi)備壓力(lì) 端(duān)口(kǒu)和連(lián)接(jiē)引(yǐn)綫方(fāng)可使(shǐ)用。這些(xiē)小(xiǎo)傳(chuán)感(gǎn)器便(biàn)宜而(ér)且相對可靠，但受溫度變化(huà)影響較大(dà)，而(ér)且初始偏(piān)移和(hé)靈敏度的偏(piān)差(chà)很大(dà)。
LCR電(diàn)橋測量基礎(chǔ)知識(shí)
壓力(lì)傳感(gǎn)器(qì)實例
1在此(cǐ)給出(chū)一(yī)個壓力傳感(gǎn)器的實例(lì),其(qí)所涉(shè)及(jí)的原(yuán)理(lǐ)適用於(yú)任(rèn)何(hé)使用類似電橋(qiáo)的傳感器。公式1給出(chū)了一個(gè)原始(shǐ)的(dí)壓(yā)力(lì)傳(chuán)感器(qì)的輸(shū)出模型。其中(zhōng)，VOUT在給定壓(yā)力P下(xià)具(jù)有很寬的變(biàn)化範圍，不(bù)同(tóng)傳感器在同(tóng)一溫度下，或者(zhě)同一傳感器在不(bù)同溫(wēn)度(dù)下，其(qí)VOUT都 有(yǒu)所不(bù)同(tóng)。因此(cǐ)要提(tí)供(gōng)一(yī)個一致(zhì)的，有(yǒu)意義(yì)的輸出，每(měi)個(gè)傳感器(qì)都(dū)必須進(jìn)行校(xiào)正，以補償器(qì)件之間(jiān)的差異和溫度漂(piāo)移。長(cháng)期(qī)以來，校(xiào)準都(dū)是通過模擬電路進行的。然 而，現代(dài)電(diàn)子(zǐ)學(xué)的(dí)進(jìn)展(zhǎn)使(shǐ)得數字(zì)校準比模(mó)擬(nǐ)校準更(gēng)具(jù)成本(běn)效(xiào)益，而(ér)且其準(zhǔn)確(què)性(xìng)也更好(hǎo)。此(cǐ)外，利用一些模擬技術(shù)“竅(qiào)門”，可以在(zài)不(bù)犧(xī)牲精度(dù)的(dí)前提下簡化數(shù)字校準(zhǔn)。
VOUT=VB(PS0(1+S1(T-T0))+U0+U1(T-T0)) （1）
2.，式(shì)中(zhōng)，VOUT為電橋(qiáo)輸(shū)出，VB是電橋的激勵(lì)電壓，P是外(wài)加(jiā)壓力，T0是參考(kǎo)溫度(dù)，S0是(shì)T0溫度下(xià)的(dí)靈敏度(dù)，S1是靈(líng)敏(mǐn)度的溫度係數(TCS)，U0是(shì)在(zài)無(wú)壓力情(qíng)況下電橋(qiáo)在溫度T0時的輸出(chū)偏移量(liáng)(或失(shī)衡)，而(ér)U1則(zé)是(shì)偏移量(liáng)的(dí)溫(wēn)度(dù)係數(OTC)。公式(1)使用一次(cì)多項(xiàng)公(gōng)式來(lái)對傳感(gǎn)器(qì)進行建(jiàn)模(mó)，而(ér)有些應(yīng)用(yòng)場合可能(néng)會用(yòng)到(dào)高次多項(xiàng)公式，分(fēn)段(duàn)綫(xiàn)性(xìng)技(jì)術(shù)或(huò)者(zhě)分(fēn)段二次(cì)逼近模型(xíng)，並為其中的係數(shù)建(jiàn)立(lì)一個(gè)查(chá)尋(xún)表(biǎo)。無論(lùn)使(shǐ)用哪(nǎ)種模型(xíng)，數字(zì)校準時(shí)都(dū)要(yào)對(duì)VOUT，VB和(hé)T進(jìn)行(háng)數字(zì)化，同時(shí)要采(cǎi)用某(mǒu)種方公式來確定全部(bù)係數(shù)並進行(háng)必要的(dí)計(jì)算。公式(2)由(yóu)公式(shì)(1)變(biàn)化所得，從中(zhōng)可清(qīng)楚地看到(dào)，通過(guò)數字計(jì)算(通常(cháng)由(yóu)微(wēi)控(kòng)製(zhì)器(MCU)執(zhí)行)而輸出(chū)**壓(yā)力(lì)值所需的(dí)信息。
P=(VOUT/VB-U0-U1(T-T0))/(S0(1+S1(T-T0)) (2)
LCR電(diàn)橋測量(liáng)基礎(chǔ)知(zhī)識
電壓驅動(dòng)
圖(tú)1 該電(diàn)路直接測量(liáng)計算實(shí)際(jì)壓(yā)力(lì)所需的變(biàn)量(liáng)(激勵電壓，溫度和電橋輸(shū)出(chū))
在(zài)圖1所示(shì)的電路中(zhōng)，一個(gè)高精度ADC先(xiān)對VOUT (AIN1/AIN2)，溫度(dù)(AIN3/AIN4)和(hé)VB (AIN5/AIN6)進行(háng)數(shù)字(zì)化，這(zhè)些測(cè)量值隨(suí)後(hòu)被傳送(sòng)到MCU，在(zài)那裏(lǐ)轉(zhuǎn)換成實際(jì)的(dí)壓(yā)力。電橋直(zhí)接由電源驅(qū)動(dòng)，電(diàn)源同時也為(wéi)ADC，電(diàn)壓(yā)基準源(yuán)和MCU供電(diàn)。電阻公式(shì)溫度檢測器Rt用來測(cè)量溫(wēn)度，ADC內的輸入復用器(qì)同時測量(liáng)電橋，RTD和電源電壓(yā)。為確定校準(zhǔn)係數，整(zhěng)個係統(或(huò)至少(shǎo)是RTD和電橋)被(bèi)放到(dào)恒溫(wēn)箱裏(lǐ)，在多個(gè)不同溫度下進行測量(liáng)。測量(liáng)數(shù)據(jù)通(tōng)過測試係(xì)統(tǒng)進行處理(lǐ)，以確定校(xiào)準(zhǔn)係(xì)數，*終的係數(shù)被下載(zǎi)到(dào)MCU並(bìng)存(cún)儲到非(fēi)易失性(xìng)存儲器(qì)中。
設計該(gāi)電路(lù)時主要(yào)考慮(lǜ)的(dí)是動態(tài)範(fàn)圍和ADC的(dí)分(fēn)辨(biàn)率，*低要求取(qǔ)決(jué)於(yú)具(jù)體(tǐ)應用和所(suǒ)選的傳感(gǎn)器和RTD的參數(shù)。 在本例中(zhōng)，傳(chuán)感器的具(jù)體參(cān)數(shù)如(rú)下。
係(xì)統規格
滿量程壓力：100psi
壓(yā)力分辨(biàn)率：0.05psi
溫度(dù)範(fàn)圍：-40～+85℃
電源電壓(yā)：4.75～5.25V
壓力(lì)傳(chuán)感器規(guī)格
S0 (靈敏(mǐn)度(dù)): 150～300μV/V/psi
S1(靈敏度(dù)的(dí)溫(wēn)度(dù)係數): *大(dà)為-2500×10-6/℃
U0 (偏移): -3～+3mV/V
U1 (偏移(yí)的溫(wēn)度(dù)係(xì)數): -15～+15μV/V/℃
RB (輸(shū)入(rù)電阻(zǔ)): 4.5kΩ
TCR (電(diàn)阻溫(wēn)度係數): 1200×10-6/℃
RTD: PT100
o α: 3850×10-6/℃
o -40℃時(shí)的阻值: 84.27Ω
o 0℃時阻(zǔ)值: 100Ω
o 85℃時(shí)阻值(zhí): 132.80Ω
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LCR電橋(qiáo)測量基礎知識
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