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    MPX2100型壓力傳感器的數據采集系統

    2013-09-04 19:20 來源:電子信息網 作者:蒲公英

    在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業及科研領域中,都必須進行相關的壓力檢測與分析。通常壓力值的變化速度較緩慢,但在測量壓力值并把它由非電量轉變成電量這一過程中,要求精度非常高,本文介紹了一種通用的高精度壓力數據采集系統。系統的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100,轉換精度高、靈敏度高,具有極好的線性度,在高性能單片機AT89S52的控制下,放大調理后的模擬電量通過高精度、高性能芯片ICL7135進行A/D轉換,可以保證系統具有很高的數據采集精度和很強的抗干擾能力,使用壽命長。系統采用液晶顯示及PS/2鍵盤接口,實現了良好的人機交換。PLD技術的應用,節省了硬件電路的開銷。

    一、系統的硬件組成及工作原理

    高精度壓力數據采集系統框圖如圖1所示。壓力傳感器輸出的模擬信號被放大調理后經模/數轉換模塊轉換為數字量,傳送給單片機,經過標定、運算及零點補償等處理,在液晶顯示模塊上顯示出來,同時可經串行接口傳送到上位機,實現良好的人機交換,鍵盤提供人機交互的手段。

    1


    1、壓力數據采集及信號調理電路

    壓力傳感器是一種將壓力轉換成電流/電壓的器件,可用于測量壓力、位移等物理量。壓力傳感器的種類很多,其中硅半導體傳感器因其體積小、重量輕、成本低、性能好、易集成等優點得到廣泛的應用。硅壓阻式傳感器屬于其中的一種,它是在硅片上用擴散或離子注入法形成四個阻值相等的電阻條,并將它們接成一個惠斯登電橋。當沒有外加壓力時,電橋處于平衡狀態,電橋輸出為零。當有外加壓力時,電橋失去平衡而產生輸出電壓,該電壓大小與壓力有關,通過檢測電壓,即可得到相應的壓力值。但這種傳感器由于四個橋臂電阻不完全匹配而引起測量誤差,零點偏移較大,不易調整。

    2


    Motorola公司生產的X型硅壓力傳感器則可以克服上述缺點。如圖2所示,與惠斯登電橋不同,Motorola專利技術采用單個X型電阻元件,而不是電橋結構,其壓敏電阻元件呈X型,因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上,并采用計算機控制的激光修正技術,溫度補償技術,使Motorola硅MPX系列壓力傳感器的精度很高,其模擬輸出電壓正比于輸入的壓力值和電源偏置電壓,具有極好的線性度,且靈敏度高,長期重復性好。此系列中的MPX2100DP壓力傳感器是一種高精度硅壓式壓力傳感器,本系統采用MPX2100DP作為壓力傳感器,可以很好地滿足系統的要求,它具有如下特點:

    ①由于采用激光微調技術,使電橋零漂輸出很小,一般小于±1mV;

    ②傳感器靈敏度較高,為40mV±1.5mV;

    ③傳感器由熱敏電阻組成溫度補償網絡,在-40℃"+125℃范圍內有較好的溫度補償效果,從而提高了傳感器的精度;

    ④具有極好的線性度(±0.25%F.S);

    ⑤有較寬的工作溫度范圍(-40℃"+125℃);

    ⑥允許過載大(400%)。

    (2)信號調理電路

    電路圖如圖3所示(圖中只以一路傳感器輸出信號為例,未畫出多路開關CD4051)。

    3


    信號經高精度壓力傳感器MPX2100DP變為電信號,通過CMOS型8選1多路開關CD4051選擇之后,再送入放大電路,進行調理后輸出到A/D模塊ICL7135進行高精度模數轉換。MPX2100DP的供電電壓取為8V,它的滿量程輸出x由下式確定:

    x=40mV×8V/10V=32mV(1)

    對于電壓輸出邏輯電平定為5V,顯然32mV的電壓要進行適當的放大。

    放大器采用MC33274四運算放大器,它組成一個儀表放大電路,具有高差模增益和高共模抑制比,輸入阻抗高,可調節偏置電路。差模放大主要由U1A完成,U1B為電壓跟隨器,用來防止運放的反饋電流流入傳感器的負端。零壓力時,傳感器的2和4端之間的電壓差為零。設2端和4端的共模電壓各為4V(傳感器電源電壓的一半),則U1A的端電壓也是4V,該電壓經U1C和U1D電路使其輸出為零。輸出端的零壓力偏置由R4和RP1引入。R7值的選擇從13端看過去的阻抗約為1kW,放大器的增益為:

    4     (2)


    選擇125的增益使傳感器滿量程輸出擺幅32mV可放大到125×0.032=4V(為電源電壓的一半)。


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    壓力傳感器 數據采集 MPX2100

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