压力检测

受力、压力和应力通常被归类为相同的测量,其中有细微区别:受力是指一个对象对另一对象的推力或拉力;应力是指施加至对象上每单位面积的力产生的结果,会造成对象变形;压力属于应力的一种,通常与气体或液体施加的力相关。我们此处不深入讨论其物理意义,设计注意事项、电路图和框图页面主要着重于如何处理来自于变送器的信号,而变送器响应施加至固体、液体或气体的不同类型的力,以及如何根据应用选择信号链。

请点击页面上方的“设计注意事项”、“电路图”和“框图”标签获取更多信息,有助于建立设计。

 

为保证系统受控或完整性,通常就需要对力进行测量。例如,特定厚度钢板制成的蒸汽锅炉可承受的压力是一定的;如果压力超过材料的极限,锅炉就会破裂或爆炸。通过测量和监测锅炉内的压力,可对锅炉进行一定的控制,例如泄压阀或减少施加至锅炉的热量信号,从而避免灾难性事件。压力变送器用于测量这种类型的力。另一个例子:桥通常不会移动,但容易受天气(风和温差)和载荷(结构以及桥上车辆的重量)的影响。这些条件会引起材料内出现应力,如果材料受力超过其能够承受的范围,就会碎裂。应变计用于测量这些力,能够确定结构是否发生异常变形,从而能够在发生事故之前采取措施。

信号链功能和操作


高精度测量受力、压力和应力需要能够提供信号的变送器或传感器,信号反应被测对象承受的受力、压力或应力。理想变送器提供线性输出——输出随压力或应力增加而线性增大,随压力或应力减小而线性减小。然而大多数变送器都具有一定的非线性。为实现高精度测量,必须在输入电路中对信号进行线性化。

大多数力敏变送器提供的输出信号电平都非常低,范围为不到1毫伏到数十毫伏;该范围与环境下的电噪声幅值相当。所以必须设计电路放大信号,同时滤除或抑制噪声。庆幸的是测量不要求极高的采样率,使滤波较为容易。大多数信号链的设计满足精度指标,包括随时间和温度变化发生的低漂移。电路必须具有优异的稳定性。

大多数压力或力变送器在电气上采用惠斯顿电桥结构。

惠斯顿电桥原理图
图1. 惠斯顿电桥原理图

惠斯顿电桥在达到平衡后,其输出电压与电桥中的一个或多个电阻的阻值变化成比例。应变计或MEMS变送器本质上是可变电阻,当用于测量力时,与其它应变计或精密电阻一起安装在惠斯顿电桥电路中,使电桥平衡。当一个或多个应变计受到应力或变形时,电桥输出上即会产生电压。

信号链的目的是将极小的模拟信号高精度转换为数字信号;为实现这一目的,传感器信号链执行以下功能:

1. 变送器激励

具有低温漂的高精度、稳定电压或电流源常常用作传感器激励。为便于消除基准电压误差的影响,传感器激励源和模/数转换器(ADC)通常采用一个公共基准,利用信号的比例关系消除1阶误差,从而允许使用较低精度的基准源,或者在给定基准的条件下获得更高性能。

2. 信号放大

在许多设计中,变送器的输出满幅范围极低(例如20mV),而ADC的输入满幅范围则宽得多(例如2V)。在这种情况下,必须在ADC将变送器的输出信号转换为数字信号之前,将其放大,以匹配ADC的输入范围。

3. 滤波

传感器变送器信号的带宽一般较窄,对噪声的敏感度较高。因此,通过滤波限制信号的带宽可显著降低总体噪声。通常采用无源滤波器实现滤波。

4. 模/数转换

该过程包括将模拟信号准确地转换为数字信号,在转换期间不引入任何杂波或畸变。传感器信号链中使用的两种主要转换器结构为:SAR和Δ-Σ。Δ-Σ转换器具有很好的低功耗、高分辨率(高达24位),以及低采样率下的数字信号处理。这满足许多低带宽信号传感器的要求。较快的SAR ADC具有很好的低功耗、中/高分辨率(高达20位),以及较快的建立时间,并且无延迟。对于快速采集或多个通道多路复用一个ADC时,这可能更为合适。

5. 线性化

有些传感器的输出呈现非线性。如果传感器的输出特性已知并且可重复,则可对输出进行线性化,从而提高设计的精度。目前来说,数字线性化通常具有较高的性价比,也更为灵活。在信号被数字化之后,数字线性化方法利用查找表为ADC的每个输出编码提供正确的线性化值。有些较复杂的方案中可能还要求采用数字信号处理(DSP)技术对信号进行处理、误差补偿、增益和滤波,取决于变送器和要求的精度水平。

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信号链的物理要素


需要测量力的设计工程师通常从信号链开始,包括:

  1. 输入多路复用器,以便在一条链路中处理多路信号。
  2. 一个或多个运放,进行放大和滤波。
  3. 模/数转换器。
  4. 一个或多个电压基准。
  5. 微控制器,用于数字信号处理和通信。

尽管可以通过设计定制信号链来满足准确的性能和成本需求,但现代化、高度集成的单片AFE产品可能非常适合设计参数,尤其是用于主流应用的设计。AFE IC至少集成一个ADC和可编程增益放大器。更多信息请参见下文的“利用集成AFE进行设计”部分。

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设计定制信号链


工程师的主要任务是指定能够可靠测量信号的信号链,要求其满足规定的不确定度范围,并且同时满足成本约束。其中有许多需要平衡的性能参数,尤其是成本因素较为重要时。

对于传感器信号链,测量质量的衡量指标有:

  • 准确度或系统误差
  • 精度或随机误差

系统误差源可分为三大类:

  • 增益误差
  • 失调误差
  • 线性度误差

精度或随机误差源包括:

  • 量化噪声
  • 热噪声
  • 散粒噪声
  • 闪烁噪声

系统中的总误差为两种误差的组合。一般来说,每种误差占总误差的一半,所以为提高信号链的测量质量,需要对每个元件进行选择并且配置,需将两种误差降至最小。

我们回顾一下定制信号链中每一要素的主要选择标准。

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选择ADC


选择ADC时涉及的最基本参数有:

  1. 所需通道数量
  2. 采样率
  3. 标称分辨率

所需通道数量

大多数ADC提供一路输入通道,但有的产品也集成多路复用器,提供多路输入。

采样率:

从技术角度看,通常认为传感器应用的采样率比较低,一般50个采样每秒即可,所以将该值乘以ADC处理的通道数量即得到所需的采样率。即使成本因素非常重要时,当今的ADC技术在大多数情况下也能提供高得多的采样率。

分辨率:

ADC的分辨率是指ADC能够将最大输入电压分成的级别或区间数量。例如,12位ADC可提供212即4096个区间,16位ADC可提供216即65536个区间。

2n公式提供的分辨率是理想分辨率,由于物理因素尤其重要的是器件和信号链产生的热噪声,大多数ADC一般达不到理想分辨率。有些ADC也提供“无噪声分辨率”技术指标。将该指标作为转换器的分辨率,以消除噪声的影响。

举例来说,如果搭建一个邮资秤,技术指标是在10磅范围内精确到十分之一盎司,就需要ADC能够提供最小1,600个区间;但为了实现可重复的准确度,需要考虑热噪声、其它转换器噪声以及其它信号链误差,一般将该值乘以10,所以对于该应用而言就需要16,000个区间。该应用中,如果变送器提供的输入接近转换器的输入范围,16位ADC最有可能提供所需的分辨率。

输入(满幅)范围为3V的典型16位ADC可分辨3/216或46µV的输入区间。如果最大输入信号只能达到1V,由于放大限制,则ADC能够检测的最大区间数量为最大值的1/3,约22,000个分组。这也足以满足邮资秤示例的技术指标。

热噪声对分辨率的影响

由于ADC内累积噪声误差的原因,ADC产生的实际输出编码不可能是单个值,而是一个取值范围,用近似高斯分布的直方图表示。为确保ADC在输入电压范围内提供所需的分辨率,好的方法是计算转换器能够提供的无噪声输入区间的数量(如果产品技术指标中未提供该值)。

根据统计学可知,在高斯曲线中,99%的输出值落在均值的6.6σ范围之内,均值位于概率最大或预期区间的中心。

图2. 无噪声范围图示
图2. 无噪声范围图示

为帮助计算该值,大多数ADC都包括称为VRMS Noise的参数,可在数据资料中查找该值。将该值乘以6.6即达到转换器可提供的最小无噪声区间,以电压为单位。然后将输入范围除以最小无噪声区间,即得到无噪声分辨率。如果该数值大于应用中所需的区间数量,则所选ADC应比较适合;否则,就不可能进一步放大来自传感器元件的输入,需要查找VRMS Noise指标更低的ADC。举例说明:

16位ADCMAX11205提供的热噪声指标为:720nVRMS Noise

放大后的传感器电压输入为1V时,ADC可提供的无噪声输入区间数量为:

            1 / (.00000720 x 6.6) = 213,000

MAX11205具有极低的VRMS Noise指标,所以很容易提供满足应用要求的无噪声分辨率。

关于无噪声分辨率计算的其它说法包括:整个输入范围内的无噪声计数或编码。

大多数高精度ADC的数据资料将热噪声表示为输入参考噪声,以RMS噪声或峰-峰噪声的形式提供技术指标。Σ-Δ转换器的数据资料通常提供输入参考噪声或峰-峰噪声与数据输出率的关系。通常在输入短路的情况下测量输入参考噪声,利用噪声柱状图计算噪声。

单端或双端输入

ADC IC有单端输入或差分输入。对于要求高精度和检测极低输入电压变化的设计,建议使用差分输入ADC。相对于单端输入,差分输入具有最佳的噪声抑制性能和较宽动态范围。关于更多详细信息,请参考应用笔记1108:《理解单端、伪差分及全差分ADC输入》

INL——积分非线性

在要求较低分辨率ADC的设计中,例如10位至16位转换器,参数INL是决定器件准确度的关键参数。INL误差定义为实际传递函数相对于理想直线的偏差,以LSB或满幅范围(FSR)的百分比表示。其它所有条件相当的情况下,选择INL参数较低的ADC,以便选择能够提供最佳准确度的ADC。更多详细信息,请参考应用笔记283:《高速模/数转换器(ADC)的INL/DNL测量》

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选择运放


运放在信号链中的功能是以线性方式放大变送器的输出,使变送器的最大输出与ADC的输入范围大致一致,最大程度提高信号链的分辨率。

大多数负载单元将提供“跨度”或“灵敏度”指标,该指标表示在每伏特激励下提供最大的负载单元输出变化。负载单元的常见范围为2mV/V至20mV/V。典型激励电压范围为3V至5V。在此条件下,这种变送器提供的最大输出范围可达10mV至100mV,范围相当宽,但与所选变送器的关系非常大。

放大器应将该范围转换为ADC支持的最大输入范围。通常情况下,ADC的可用输入范围为2.5V至3.3V。所以输入放大器必须提供50至200倍增益,具体取决于应用。

输入运放需要将微伏和毫伏范围的信号放大,这相当于自然发生的噪声的范围。正确选择该电路并正确布局非常重要,以防放大步骤中引入误差。对于这种应用,选择具有极低失调电压(VOS)、低温漂和失调漂移的低噪声放大器(LNA)。

大多数小信号设计中,首选运放为低噪声“自归零”运放,这将最大程度降低信号链中的失调误差隐患。MAX44246就是这类运放中的一个例子。以下原理图所示为典型的运放配置。注意,图中利用双单端运放代替测量放大器。配合使用差分输入ADC时,该方法提供最佳结果。

图3. 压力检测信号链中的典型运放配置
图3. 压力检测信号链中的典型运放配置

提示:大多数压力变送器采用惠斯顿电桥结构。关于使用惠斯顿桥电路的更多信息,请参考应用笔记3426:《电阻电桥基础:第一部分》

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选择多路复用器


选择多路复用器时,设计工程师首先需要了解的基本信息:输入通道数量。此外,多路复用器必须能够支持完整的输入电压范围,还要确保切换速度足以满足应用。一般而言,在满足成本目标的前提下,“导通”电阻最低的产品最佳。

提示:了解“超摆幅”多路复用器和ADC。

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选择基准


电压基准提供高精度已知电压。相对于规定基准电压的任何偏差都将给系统带来误差。对于传感器测量应用,基准输出用作ADC或AFE输入,也用作变送器激励。如果噪声或其它原因造成基准电压波动,传感器输入和ADC都将发生相同的波动,从而降低总误差。

电压基准影响系统误差和随机误差。基准噪声源降低ADC的噪声性能,所以应选择性能优于ADC的基准。对于高精度系统,基准的初始误差以及温漂和时漂是增益误差的最重要因素之一。对于经过校准的系统,温漂和时漂是最关键的参数。

选择基准时的关键参数包括:负载驱动、初始精度、噪声、温漂和稳定度。由于需要驱动变送器,压力传感器应用中的负载驱动可高于其它很多应用。除ADC要求的驱动外,对于典型压力变送器,变送器负载的范围可达10至20毫安。

MAX6325/MAX6341/MAX6350为低噪声、高精度压力基准,具有极低的典型温度系数(0.5ppm/°C)和优异的初始精度(±0.02%)。这些基准推荐用于ADC分辨率为16位或更高的信号链。

关于选择电压基准的更多详细信息,请参见应用笔记:

应用笔记2879:《选择最佳的电压基准源》

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修正误差


达到应用要求的准确度意味着必须能够修正线性化误差、元件失调误差以及系统噪声。

在计算电路工作电压、进行四舍五入以及测量容限所需的数学运算过程中,很容易引起误差累积。

例如,从负载单元到运放和ADC的器件线性度将为设计带来误差。庆幸的是,现在通过数字线性化很容易修正误差。从本质上讲,该过程使用查找表,为接收到的每个实际数字输出提供理想预期数字输出。数字线性化的关键是可消除重复性误差。

对于个体电路中所用元件值的差异引起的误差,必须通过校准进行消除,通常为一次性调节。对于噪声引起的误差,必须通过对多个读数进行平均并将平均值表示为最终输出,从而消除误差——采用Δ-Σ算法的ADC内置有这种平均功能。

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高度集成信号链


许多信号链应用可利用高度集成AFE芯片实现。使用单片芯片或集成信号链IC的优势是设计非常简单、缩短元件选择时间、布局以及故障诊断,同时一般也提高应用的技术指标。将运放和ADC集成到单片芯片中可提供好得多的总体系统性能。从成本角度讲,使用这种方法的代价是优化灵活度较小。

集成信号链IC至少包括可编程增益运放和ADC,有些AFE IC也提供输入多路复用器,支持1至4路通道。AFE传统上采用串行数字输出,青睐于I2C和SPI接口标准。

尽管提供的设计选项较少,选择集成AFE与选择分立式信号链非常相似。例如,放大器增益可能受限,并且您很可能必须超指标使用一些参数,以获得预期总体性能。

像选择分立式信号链一样,在选择AFE(例如PGA + ADC)时,选择了所需通道数量、采样率及标称分辨率后,严格评估对系统和随机误差(这些对准确度和精度的影响最大)影响最大的技术指标非常重要;对于大多数器件,这些指标为热噪声和无噪声分辨率。

诸如无噪声范围或有效分辨率等噪声性能指标和术语表示AFE能够辨别固定输入电平的程度,一般在技术资料中提供。对于这些应用的其它说法有整个输入范围内无噪声计数或编码。

对于热噪声,大多数高精度AFE数据资料给出输入参考噪声,以RMS噪声或峰-峰噪声表示。通常在输入短路的情况下测量输入参考噪声,利用噪声柱状图计算噪声。带有PGA的Σ-Δ转换器AFE数据资料一般在表格中给出输入参考噪声或峰-峰噪声与数据率输出和PGA增益的关系。

Maxim优化用于压力传感器应用的部分集成信号链产品有:MAX1415,双通道16位ADC,带有集成PGA;MAX11270,高端24位ADC,带有PGA。

更多信息:

点击“电路图”标签查看IC电路示例。

点击“框图”标签查看与所选传感器相关的最终产品,按照功能了解推荐的Maxim产品。

本页中引用的应用笔记提供的附加设计信息,也列在“技术文档”部分。

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高端电子秤 — 60000个分度


Reference Supervisor LCD Display RS-232 RS-485 USB IO-Link Temp Sensor Step-Down DC-DC LDO Battery Power Battery Charger 24-Bit DS AFE

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集成式16位IO-LINK压力传感器


Reference IO-Link LDO Step-Down DC-DC AFE

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低成本便携式压力校准器


Reference Supervisor LNA Audio Amp LCD Display RS-232 USB LDO DC-DC Battery Charger ADC

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带电流环路输出的低成本压力传感器


LDO Drive Amp LNA LNA LNA

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