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      高精度壓力傳感器的校準和調試


      發布日期:[2018-09-23]    作者:昊明壓力傳感器


      壓力傳感器是現實生活中最為常用的一種傳感器,其廣泛應用于各種工業控制,汽車電子,醫療設備,本文主要針對應變電阻惠斯通電橋式傳感器的生產標定做出簡要說明,僅供壓力傳感器工程人員參考。
      傳感器特性
      壓力傳感器的電橋輸出

                                 圖1為直流電橋,當前輸出電阻無限大時,則前橋的輸出可簡化如下:
      壓力傳感器的電橋輸出計算公式
      圖2(左)為xxx型壓力傳感器輸出特性曲線。分別為在-40°,0°,25°以及85°溫度環境中測試電橋在不同壓力下輸出。實際應用中我們往往期望傳感器輸出與溫度無關且線性,如圖2(右)。受限于MEMS設計制作工藝、材料物理特性等,MEMS傳感器本身很難達到理想要求,實際應用中往往需在MEMS后端加入信號調理芯片對其進行校準。

      壓力傳感器傳出線性的特性
      由圖2可看出傳感器輸出不理想因素主要有:零點漂移(offset),靈敏度(Sensitivity),以及其非線性(Nonlinearity)。其中零點漂移(offset)和靈敏度(Sensitivity)均受溫度影響,即體現為溫度系數??煞謩e由如下公式表示:
       壓力傳感器計算公式
      公式1為理想傳感器輸出特性,而實際傳感器特性則需借助于公式2,3,4分別對非線性(Nonlinearity),零點漂移(offset),靈敏度漂移(Sensitivity)進行描述。
       壓力傳感器計算公式
      Vout: 引入溫漂、非線性后的傳感器輸出
      V0:非線性擬合多項式展開基準點
      kn:n階非線性系數
      Tstand:多項式擬合溫度基準點
      tcn:零點漂移(offset)n階溫度系數
      tsn:靈敏度(Sensitivity)n階溫度系數
      信號調理芯片介紹
      傳感器信號調理芯片通??梢蕴峁η岸藗鞲衅鞑杉瘮祿M行放大、校準和溫度補償的功能,從而使得傳感器器件具有穩定可靠進行工作,并且使得器件之間具有良好的一致性。除使用集成式的信號調理芯片外,傳統方案也可以使用外圍分立電路來實現傳感器的校準與標定,但效率低下,且效果依賴于人工與經驗,不適于規模生產。而通過信號調理芯片的使用,能夠免除手工校準的繁雜工作,并且提高傳感器器件的可靠性。常見的橋式信號調理芯片型號包括德國ZMDI公司的ZSC31010,美國美信公司的MAX1452,以及蘇州納芯微電子公司的NSA2300。接下來本文將以NSA2300為例介紹信號調理芯片對傳感器進行校準的相關說明。NSA2300為一款專為橋式傳感器提供的高集成、低功耗、高精度的傳感器信號采集、放大和校準的傳感器接口芯片,可以用于壓力傳感器調理,磁傳感器調理,各類應變式傳感器接口等。NSA2300可為傳感器提供零點偏移及其溫度補償,靈敏度及其溫度補償以及非線性補償,不需要其他額外的外部器件支持。NSA2300還提供多種溫度測量模式,同時支持I2C/SPI數字輸出和模擬輸出,并可通過復用模擬輸出引腳(AOUT)進行單線數字通訊(OWI)。
      主要性能指標:
      1、超寬的工作電壓范圍:1.8V ~ 5.5V
      2、超寬的工作溫度范圍: -40 ℃~ 125 ℃
      3、同時支持24位ADC數字輸出和12位DAC模擬輸出
      4、優秀的噪聲性能:600nV@OSR=1024X, Gain=32X (等效到輸入噪聲)
      5、校準精度:0.05%FSO (同時支持二階溫度系數、三階非線性校準)
      6、超快轉換時間:2ms@OSR=1024X
      7、支持休眠工作模式,大幅減輕MCU負擔
      8、1X-128X可變增益的低噪聲放大器
      9、支持傳感器診斷及輸出箝位功能
      10、高精度內部溫度傳感器 (絕對精度<0.5℃,分辨率<0.01 ℃ )
      11、支持多種外部溫度傳感器 (二極管,二端、三端熱敏電阻等)
      12、支持I2C/SPI串行通信接口
      13、支持單線編程(復用模擬輸出引腳)
      壓力傳感器校準原理

      NSA2300校準原理:
      壓力傳感器計算公式

      NSA2300可分別對零點漂移(offset),靈敏度(Sensitivity)校準至二階溫度系數,以及三階非線性系數。


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