压力传感器工作原理

电阻应变式压力传感器工作原理细解

2011-10-14 15:37 元器件交易网

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中心议题：

电阻应变式压力传感器工作原理

微压力传感器接口电路设计

微压力传感器接口系统的软件设计

微压力传感器接口电路测试与结果分析

解决方案：

电桥放大电路设计

AD 7715接口电路设计

单片机接口电路设计

本文采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出的模拟变量，然后用INA 118放大器将此信号放大，用7715A/D 进行模数转换，将转换完成的数字量经单片机处理，最后由LCD 将其显示，采用LM334 做的精密 5 V 恒流源为电桥电路供电，完成了微压力传感器接口电路设计，既能保证检测的实时性，也能提高测量精度。

微压力传感器信号是控制器的前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关键因素。后续接口电路主要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。由于用集成电路工艺制造出的压力传感器往往存在：零点输出和零点温漂，灵敏度温漂，输出信号非线性，输出信号幅值低或不标准化等问题。本文的研究工作，主要集中在以下几个方面：

(1) 介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统的组成和工作原理。

(2) 系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及接口电路，包括A/D转换电路、单

片机接口电路、1602显示电路。

(3) 对系统采用的软件设计进行研究，并简要阐述主要流程图，包括主程序、A/D

转换程序、1602显示程序。

1电阻应变式压力传感器工作原理

电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4个电阻

应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

当有压力时各桥臂的电阻状态都将改变，电桥的电压输出会有变化。

式中：Uo为输出电压，Ui为输入电压。

当输入电压一定且△ Ri <

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对于全等臂电桥，R仁R2= R3= R，各桥臂电阻应变片灵敏系数K相同，式⑵可

简化为

13)

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41

Ri ' Ri RJ &

由于△ Ri<

岸且宜凹圧崗

41

Ri R:

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式（4）为电桥转换原理的一般形式。△ U 为电桥输出电压。作为全等臂电桥, △ R1 = △

R2 = △ R3= △ R4，式（4）变为△ U =UK £ 。

2微压力传感器接口电路

应用微压力传感 器对压力的感应特性，将压力转换为模拟 的电压输出，此输出信

号不能直接由单片机 处理。因此，需要经 A/D 转换为数字量。单片机通过对此 数字量的处

理，获得实际的压力 值，并通过液晶屏显示。

图1微压力传感器接口电路 框图

由图1可以看出，整个电路 的设计分4大部分：电桥电路、放大电路、

A/D 转换

电路、LCD 显示电路。

2.1电桥放大电路

由于所测出的微 压力传感器两端的电压信号较弱，所以电 压在进行A/D 转换之前 必须经

过放大电路的 放大（见图2）。INA118由3个运算放大器组成差分放大 结构，内置输 入过压保

dL r

=

护，且可通过外置不同大小的电阻实现不同的增益（从1到1 000），因而应用范围

13)

很广。

图2电桥放大电路

通过在脚1和脚8之间外接一电阻Rg来实现不同的增益，该增益可从1到1 000 不等。电阻Rg为式中G为增益。由于Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响，因此，在需要获得高精度增益的应用中对Rg的要求也比较高，应采用高精度、低噪声的金属膜电阻。此外，高增益的电路设计中的Rg值较小，如G=100时的Rg值为1.02 k Q ;G=1 000时的Rg值为50.5 Q。

2.2AD7715 接口电路

为了实现对微压力的实时测量，使用16位的AD7715对输出电压进行采样测量，

其中AD780提供2.5V高精度基准电压。P3.1脚提供了AD工作所需的时钟，P1.4和

P1.5脚接收和发送通讯数据，P1.6是片选信号，P1.7接DRDY , AT89S52可以通过查询

P1.7的状态来判断是否可以读取AD转换结果。A/D接口电路如图3所示。

图3 A/D 转换电路

2.3单片机接口电路

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，兼容标准MCS-51指令系 统及80C51

引脚结构。

本设计使用的复 位电路是由22卩F 的电容，1 k Q 的电阻及IN4148二极管组成。 在满足单

片机可靠复 位的前提下，该复位电路的优点在于降低 复位引脚的对地阻抗，可以

显着增强单片机复位电路的抗干扰能力。

二极管可以实现快速释放电容电量的功能，满足短时间复 位的要求。本设计的单 片机连接

电路如图4所示，输入 信号为经7715A/D 转换的模拟电压，单片机进行计算处理 后输入到LCD1602液晶显示，显示出相应的压力值。

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