一種矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法與流程

2023-10-06 14:54:34 3

本發明屬於傳感器技術領域，涉及一種矽壓阻傳感器，具體是一種矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法。

背景技術：

矽壓阻傳感器是以半導體矽材料的壓阻效應製成的壓力傳感器，具有體積小、動態性能優良、廉價等優點而得到廣泛的應用，但是矽壓阻傳感器的電阻係數和壓阻係數具有較大的溫度係數，從而導致傳感器的靈敏度和零點因溫度的變化而產生的漂移較大；同時半導體材質的傳感器電路的抗電磁幹擾的能力較低；如何通過對矽壓阻傳感器進行有效硬體信號處理，以提高矽壓阻傳感器系統的測量精度，降低產品製造成本，擴展其使用範圍，有著極大的經濟價值。

目前的矽壓阻傳感器的信號處理硬體組成原理是由矽壓阻傳感器、激勵源、放大器、數模轉換器、基準電壓、模擬電路電源和數字電路電源組成，其結構和各部分的關係如圖1所示；激勵源給矽壓阻傳感器的內部的壓敏矽電阻惠斯登電橋施加恆定的電流激勵；矽壓阻傳感器是由高質量的矽壓阻原件構成的惠斯登電橋原件和精密的力學結構實現力與電的一體化轉換，當力學結構受力時惠斯登電橋的四個橋臂的矽壓阻的電阻就會因所受應力而變，此時惠斯登電橋的輸入端收到激勵源的恆定的電流驅動後，惠斯登電橋的輸出端就會產生與所受應力相關的電壓值輸出信號；放大器將矽壓阻傳感器輸出的毫伏級的電壓信號進行一定比率的放大，以達到模數轉換器對輸入電壓幅度的要求；數模轉換器將經過放大器放大後的矽壓阻傳感器的電壓信號進行數位化轉換；基準電壓是用於模數轉換器進行的模擬量到數字量轉換時所需的參考電壓值；模擬電路電源用於給矽壓阻傳感器的硬體信號處理組成部分的模擬信號處理電路提供電能量；數字電路電源用於給矽壓阻傳感器的硬體信號處理組成部分的模數轉換起的數字電路部分提供電能量。其工作原理是：矽壓阻傳感器在受外界壓力的作用下，其內部惠斯登電橋的橋臂電阻發生了相應改變，其激勵的輸入端在激勵器的恆定電流的驅動下，使其輸出端輸出了與所受外界力相對應的毫伏級的模擬電壓信號，該信號經放大器放大到模數轉換所需的電壓幅值後，進入模數轉換器，按照傳感器滿量程電壓為基準電壓值幅度，進行模擬信號到數位訊號的轉換。

目前的矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法如圖2所示，電路部件之間相對獨立，激勵源由恆流源組成，輸出電流直接驅動矽壓阻傳感器，矽壓阻傳感器輸出電壓，放大器和模數轉換器的模擬電路由共同的模擬電路電源提供，模數轉換器對輸入的模擬信號進行量化的參考電壓由獨立的基準電壓提供；這樣在矽壓阻傳感器的硬體信號處理電路中，除了矽壓阻傳感器本身以及放大器和模數轉換器的性能要求高外，激勵源、模擬電路電源以及基準電壓的性能也是影響測量精度的硬體信號處理電路的關鍵因素。

所以目前的矽壓阻傳感器硬體信號處理方法中存在影響系統測量精度的三個關係獨立的基準源，即激勵源、基準電壓、模擬電路電源；這樣會產生：①傳感器的激勵源同模數轉換器基準電壓之間的度量誤差；②傳感器的零點共模輸出與放大器及模數轉換器的零輸入共模電平的不一致，致使信號傳遞過程中線性誤差增大；③由於矽壓阻傳感器的電阻的溫度變化率比較大，採用恆流驅動傳感器電橋可以減小溫度對傳感器輸出電壓的差分信號的影響，但會造成隨溫度變化傳感器零點共模電壓輸出的漂移，致使對傳感器輸出信號進行放大的放大器的線性工作點產生影響；④在受到電磁幹擾後，三個基準源會產生三個不同頻率和相位變化的幹擾信號，增加了電路設計的難度。

技術實現要素：

為了解決目前矽壓阻傳感器硬體信號處理方法中存在的上述問題，本發明提出一種矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法。

本發明的技術方案是：一種矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法，是基於矽壓阻傳感器的硬體電路拓撲原理，在影響電路性能的部件上引入電流控制電壓源和電壓控制電壓源，整個電路只有一個激勵源，激勵源採用恆流源，以恆流源為基準源通過電流控制電壓源的方式產生模數轉換器所需的基準電壓，以恆流源激勵矽壓阻傳感器產生的傳感器輸入電壓為基準通過電壓控制電壓源產生放大器和模數轉換器所需的模擬電路電源。

本發明的有益效果是：

①整個矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法中，只採用一個恆流源作為基準源，並將基準源作為根基準源，實現了模數轉換器的基準電壓、模擬電路電源同根基準源和傳感器內阻的溫度和電氣特性的同步隨動，降低了對激勵源的使用精度的要求。

②模數轉換器的基準電壓是通過電流控制電壓源而得到，能夠消除或減小了傳感器的激勵源同模數轉換器基準電壓之間的度量誤差，提高了系統的測量精度。

③模擬電路電源avcc是通過電壓控制電壓源而得到，保證了放大器對傳感器輸出信號的線性度的高度一致，消弱傳感器輸出信號隨溫度的零點飄移造成的系統精度的損失，提高了系統的測量性能。

④可以通過模數轉換器對模擬電路電源電壓進行採集量化後，由軟體進行適當處理可得到溫度信息，方便了後續對矽壓阻傳感器的測量性能進行溫度的軟體補償。

附圖說明

圖1是目前的矽壓阻傳感器的信號處理硬體信號處理的電路組成框圖。

圖2是目前的矽壓阻傳感器的信號處理硬體信號處理方法的原理電路拓撲圖。

圖3是本發明中矽壓阻傳感器的信號處理硬體信號處理方法的原理電路拓撲圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步闡述說明，

一種矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法，基於矽壓阻傳感器的硬體電路，在影響電路性能的部件上（在電路上傳感器的激勵源與模數轉換器的獨立的基準電壓不相關聯和傳感器在激勵源作用下產生的輸入端的電壓與放大器及模數轉換器模擬電路供電的獨立的穩壓電源不相關聯）引入電流控制電壓源和電壓控制電壓源，其信號處理方法的原理電路拓撲如圖3所示，整個電路只有一個激勵源，激勵源採用恆流源wl，並將恆流源wl作為根基源準通過電流控制電壓源的方式產生模數轉換器所需的基準電壓vref+，以恆流源wl激勵矽壓阻傳感器ｓ１產生的傳感器輸入電壓為基準通過電壓控制電壓源產生放大器和模數轉換器所需的模擬電路電源avcc。

整個矽壓阻傳感器的硬體信號處理方法中，只採用一個恆流源wl，並將wl作為根基準源，實現了模數轉換器的基準電壓、模擬電路電源同根基準源和傳感器內阻的溫度和電氣特性的同步隨動，降低了對基準源的使用精度的要求。

模數轉換器的基準電壓vref+是通過根基準wl控制wy1(電流控制電壓源)而得到。模數轉換器相當於採用了傳感器激勵電流is為模數轉換的基準，即相當於統一了系統的量具，因此能夠消除或減小了傳感器的激勵源同模數轉換器基準電壓之間的度量誤差。當基準源wl因溫度或幹擾產生輸出電流改變後δis，會導致矽壓阻傳感器輸出信號同步改變δvo，但由於模數轉換器的基準電壓vref+同步受控於基準源wl的電流δis，這樣得到電氣特性同步變化，從而達到消除或減小了傳感器的激勵源同模數轉換器基準電壓之間的度量誤差，提高了系統的測量精度。

模擬電路電源avcc是通過根基準wl的電流激勵矽壓阻傳感器s1的惠斯登電橋，產生的電橋輸入電壓e+為基準控制wy2(電壓控制電壓源)而得到。可以在較寬的溫度範圍內保證傳感器的零點輸出共模電壓與放大器的輸入零點共模電壓始終保持一致，從而保證了放大器對傳感器輸出信號的線性度的高度一致，削弱傳感器輸出信號隨溫度的零點飄移造成的系統精度的損失，提高了系統的測量性能。

由於矽壓阻傳感器的內阻的溫度係數比較大，在根基準源wl的恆流is的激勵下，隨溫度產生的輸入電壓的變化具有體現矽壓阻傳感器實際工作溫度的電壓信息，而該輸入電壓通過控制wy2(電壓控制電壓源)得到的模數轉換器的模擬電路電源電壓avcc也攜帶矽壓阻傳感器的工作溫度信息。這樣我們可以通過模數轉換器對模擬電路電源電壓進行採集量化後，由軟體進行適當處理即可得到溫度信息，方便了後續對矽壓阻傳感器的測量性能進行溫度的軟體補償。

本發明有效的降低了矽壓阻傳感器硬體信號處理的設計難度，降低了產品製造成本，提高了矽壓阻傳感器系統的測量精度。