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压力传感器的信号采集处理

在现代工业控制和系统监测领域,压力和重量通常需要监测和测量。压力测量尤为重要,因为压力可以直接用来测量流体、高度和其他物理量。由于加载是影响传感器输出的属性,压力和重量测量装置可视为加载传感器。加载传感器应用广泛,包括从真空计到重型机械称重、工业液压设备和绝对压力。每个应用程序对精度、精度和成本都有不同的具体要求。虽然压力和重量(加载/感应)的测量方法和技术很多,但最常用的测量装置是应力计。 最常见的应力计有两种:一种是大多数压力传感器使用的金属箔;另一种是基于半导体的压阻压力传感器,广泛应用于压力测量。与金属箔压力传感器相比,压阻压力传感器具有更高的灵敏度和更好的线性性能,但容易受到温度的影响,并有一定的初始偏差。原则上,所有应力计在受到外力时都会改变电阻值。因此,当有电信号激励时,压力和重量可以有效地转换为电信号。一种有源电阻元件(应力计)通常放置在惠斯通电桥(有时称为压力测量元件)上,产生与压力或重量对应的差异输出电压。工程师可以设计一个传感器模块,可以满足各种加载/传感系统的需要。成功的设计需要包括用于检测物理量的传感器元件和设计合理的信号链路。

压力传感器 完整的信号链路方案。 压力传感器信号链路必须能够处理噪声弱的信号。为了准确测量电阻压力传感器输出电压的变化,电路必须具备以下功能:激励、放大、滤波和收集。一些解决方案也可能需要数字信号处理(DSP)信号处理、误差补偿、数字放大和用户可编程操作的技术。 放大和电平转换模拟端(AFE) 在某些设计中,压力传感器的输出电压范围很小,需要分辨率nV等级。在这种情况下,将传感器输出信号发送到ADC信号必须在输入前放大。为防止 放大阶段引入误差,需要选择低失调电压(VOS)、低温漂的低噪声放大器。惠斯通电桥的缺点是共模电压远远大于有用信号。这意味着LNA还必须有很高的 共模抑制比(CMRR),通常大于100dB。若采用单端ADC,在数据采集之前,需要额外的电路来消除更高的共模电压。此外,由于信号带宽狭窄,放大器 1/f噪声也会导致误差。因此,最好使用斩波稳定放大器。分辨率很高ADC,占用全范围的一小部分有助于降低对放大器的苛刻要求。 激励 高精度、稳定的电压或电流源通常用作压力传感器激励。压力传感器的输出与激励源成比例(通常是mV/V表示)。因此,程中,模具/数转换器和激励电路通常采用公共基准或激励电压ADC基准。可使用附加的ADC激励电压通道精确测量。 传感器/电桥 信号链路的这部分功能包括应力传感器,放置在测压元件(惠斯通电桥设计)部分,如上述概述部分。 采集-ADC 选择ADC其技术指标,如无噪声范围或有效分辨率,应严格确认ADC能够识别固定输入电平的能力。替代指标是无噪声计数或 码。大多数高精度ADC数据将这些指标表示为噪声峰值或RMS 噪声与速度的对应关系表有时以噪声直方图的形式表示。 其它需要考虑的ADC该指标包括:低失调误差、低温漂移和优良的线性度。速度与功耗之间的关系也是特定低功耗应用常重要的规格。 信号调理/集成方案 一些集成方案将所有所需的功能模块集成到单个芯片中,通常称为传感器信号调节器IC。信号调节器是一种特殊的信号调节器IC (ASIC),它补偿、放大和校准输入信号,可以覆盖较宽的温度范围。根据信号调节器的不同精度要求,ASIC压力传感器激励电路、数/模转换器将集成以下全部或部分模块(DAC)、可编程增益放大器(PGA)、模/数转换器(ADC)、存储器,多路复用器(MUX)、CPU、温度传感器和数字接口。 常见的信号调理器有两种类型:模拟信号通路的调理器(模拟调理器)和数字信号通路的调理器(数字调理器)。模拟调理器的响应时间较快,提供连续的输 出信号,反映输入信号的实时变化。它们通常采用硬件补偿机制(不够灵活)。数字调理器往往基于微控制器,由于ADC和DSP算法有一定的执行时间,响应时间慢。ADC数字信号调节器的最大优点是提供灵活的补偿算法,可以根据用户的应用程序进行调整。 滤波 传感器信号的带宽一般很窄,对噪声很敏感。因此,通过滤波限制信号的带宽可以显著降低整体噪声。Σ-Δ ADC由于该架构提供了固有的过采样特性,因此可以简化噪声要求。 数字信号处理(DSP)-数字域 除了模拟信号调节外,还需要在数字域进一步处理收集到的信号,以提取信号并降低噪通常需要找到具体应用程序和细微差异的算法。一些通用算法,如数字域紊乱和增益校准、线性处理、数字滤波器和基于温度(或其他限制因素)的补偿。

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