硅壓阻壓力傳感器在地下水監(jiān)測中的應(yīng)用

馮建華 袁愛軍 張 磊

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

地下水水位是野外水文地質(zhì)調(diào)查以及地下水常規(guī)監(jiān)測中最基本的一個指標(biāo)。隨著科技的進(jìn)步，各種地下水監(jiān)測設(shè)備層出不窮。同時，為了合理地開發(fā)和利用地下水資源，遏制已有的地下水環(huán)境問題進(jìn)一步惡化，并防止新的地下水開發(fā)區(qū)出現(xiàn)類似問題，在加強(qiáng)勘查的基礎(chǔ)上，必須對地下水動態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測［1］。按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)監(jiān)測變量的不同，地下水的動態(tài)監(jiān)測可分為地下水位監(jiān)測、地下水溫度監(jiān)測和地下水水質(zhì)監(jiān)測［2］。在大部分監(jiān)測設(shè)備中，監(jiān)測地下水水位的傳感器通常是硅壓阻壓力傳感器。地下水水位的變化會引起水壓力的變化，而硅壓阻壓力傳感器正是利用這個變化的壓力信號來反映水位的變化的。本文介紹了比較常用的154N型壓力傳感器的激勵電路以及信號調(diào)理原理。

1 154N型壓力傳感器簡介

目前，耐高溫高頻響的壓力傳感器主要有壓電式和壓阻式兩大類［3］。硅壓阻式傳感器靈敏度通常比金屬應(yīng)變計式傳感器高1～2個數(shù)量級，具有體積小、質(zhì)量輕、分辨率高等特點(diǎn)，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用［4］。文中涉及到的硅壓阻壓力傳感器經(jīng)常被應(yīng)用于野外電池供電的監(jiān)測設(shè)備中。154N型硅壓阻壓力傳感器為固態(tài)結(jié)構(gòu)，性能可靠，分為表壓型與絕壓型兩大類，具有很好的非線性(±0.1%)。它的內(nèi)部充有硅油，水壓力通過傳感器上的316不銹鋼膜片以及硅油傳遞至壓力敏感元件，壓力敏感元件組成橋式測量電路。當(dāng)四個電阻達(dá)到某一關(guān)系時，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，因此，電橋能夠精確地測量微小的電阻變化［5］。該傳感器內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償電路，而且具有一個出廠前經(jīng)激光調(diào)整的精密增益電阻，通過搭配少量外圍器件，可以實(shí)現(xiàn)±1%的量程互換性。這在設(shè)計液位監(jiān)測儀器尤其是壓力變送器中是非常重要的，因?yàn)橐粋€性能優(yōu)異的傳感器調(diào)理電路，它的輸出信號應(yīng)該不受傳感器的限制，調(diào)理電路應(yīng)具有通用性。154N型壓力傳感器內(nèi)部的增益電阻滿足這種要求。154N型壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其引出線為六芯的扁平電纜。其中，(1)為信號正、(2)為供電負(fù)、(3)為供電正、(4)為信號負(fù)、(5)為增益調(diào)節(jié)電阻端1、(6)為增益調(diào)節(jié)電阻端2。

圖1 154N型硅壓阻壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of 154N silicon piezoresistive pressure transducer

2 壓力傳感器調(diào)理電路

154N型壓力傳感器的調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 154N型壓力傳感器調(diào)理電路Fig.2 The conditioning circuit of 154N pressure transducer

該電路分為恒流激勵源和增益調(diào)整兩個部分。其中，電阻1、2、3、4為硅壓阻壓力傳感器內(nèi)部的四個壓力應(yīng)變片，它們將水壓力的變化轉(zhuǎn)化為差分的電信號;電阻r為經(jīng)過激光調(diào)整的精密增益調(diào)節(jié)電阻;R1、R2為精度為0.1%的金屬膜精密電阻，該電阻的溫度系數(shù)需要盡量小。兩個外接運(yùn)算放大器需選擇低偏置電壓與低漂移的精密運(yùn)放。大部分運(yùn)算放大器內(nèi)部至少集成了兩個性能指標(biāo)幾乎一致的放大器，應(yīng)用這種元器件可以得到很好的性能。恒流激勵源的輸出電流為0.996 mA。在這個電路的調(diào)理下，輸出信號范圍為0～2 V，并且該輸出信號范圍不隨所接入的傳感器類型(表壓或絕壓)以及量程范圍變化而變化，統(tǒng)一了輸出信號，且便于應(yīng)用。

3 信號調(diào)理的原理

在如圖2所示的調(diào)理電路中，選擇0.996 mA的恒流激勵源以及100 kΩ的反饋電阻R1與R2，可以使電路達(dá)到最佳的調(diào)理效果。在出廠前，每只154N型壓力傳感器內(nèi)部經(jīng)激光調(diào)整過的增益電阻r按照式(1)確定其阻值。

式中:Si為在參考激勵電流0.996 mA下傳感器未經(jīng)放大的信號;RF為參考反饋電阻，阻值為100 kΩ;Vamp為經(jīng)過放大的信號輸出。

當(dāng)選擇其他任意阻值的反饋電阻時，輸出信號范圍為So，如式(2)所示。令未經(jīng)調(diào)理的輸入信號為Si，經(jīng)過調(diào)整后的信號為So，反饋電阻為R。

式中:A=I/Io，為實(shí)際調(diào)理電路中壓力傳感器激勵電流與參考電流的比值。

因?yàn)閞是基于上述計算公式得到的，所以當(dāng)按照確定r時的參數(shù)確定實(shí)際調(diào)理電路的各個參數(shù)時，即可得到A=1的結(jié)果。同時因?yàn)檫x擇100 kΩ反饋電阻，則式(2)中的So變?yōu)?

由式(3)可以看出，經(jīng)放大后的信號輸出與所選擇的傳感器已經(jīng)沒有關(guān)系了，變成固定值2，即信號輸出范圍為0～2 V，實(shí)現(xiàn)了輸出信號與傳感器的隔離。該電路需要的外圍器件很少，同時電流消耗理論值在1 mA左右。配合低功耗的微控制器系統(tǒng)，可以方便地組建采用電池供電的野外地下水監(jiān)測儀器。水文地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)的長期監(jiān)測是一項(xiàng)艱苦而重要的工作，監(jiān)測地點(diǎn)往往交通不便，有的還沒有電力設(shè)施，所以監(jiān)測儀器一般采用干電池供電、全自動工作、無人值守、定時測量等［6］。同時，地下水監(jiān)測是為保障社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展而開展的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性、公益性工作［7］，這種傳感器與調(diào)理電路可以滿足基本的地下水水位監(jiān)測的需要。

4 試驗(yàn)記錄

4.1 元器件的選擇

試驗(yàn)調(diào)試電路按照圖2設(shè)計。元器件選擇如下。

①選擇德州儀器公司的精密運(yùn)放OPA2335作為放大器件。該集成運(yùn)放是該公司“零漂移”系列中的一款，具有極低的輸入偏置電壓與極小的溫度漂移，最大輸入偏置電壓值為5 μV，最大溫度漂移為0.05 μV/℃，性能相當(dāng)優(yōu)異。

② 選擇精度為0.1%、溫度系數(shù)為25×10－6的精密金屬膜電阻作為增益調(diào)整部分的反饋電阻，保證壓力調(diào)整電路信號輸出的溫度穩(wěn)定性。

③ 選擇編號為15858-0008、18054-0010、18054-0048以及18054-0016的四只硅壓阻壓力傳感器來對比相同調(diào)理電路下的信號輸出的一致性。上述四只壓力傳感器量程范圍均為0～3.44×103Pa，可以測量相當(dāng)于0～35 m變幅的水位變化。

4.2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

將四只壓力傳感器的輸出端連接調(diào)理電路的輸入端，調(diào)節(jié)該電路的激勵電流至0.996 mA。壓力傳感器的輸入端連接標(biāo)準(zhǔn)壓力儀的壓力輸出端，利用壓力儀產(chǎn)生高、低兩種壓力環(huán)境，觀察記錄兩種壓力環(huán)境下傳感器的輸出電壓。

低壓端壓強(qiáng)P0為試驗(yàn)開始時的氣壓，值為1.01×103Pa，相當(dāng)于10.28 m水深的壓力值，記錄此時壓力傳感器的輸出并作為低端壓力輸出值E0。利用標(biāo)準(zhǔn)壓力儀，給壓力傳感器施加外部壓力至傳感器輸出為滿量程2000 mV，記錄此時的標(biāo)準(zhǔn)壓力儀的讀數(shù)作為高端壓力標(biāo)記值P1。設(shè)每只傳感器輸出隨壓力變化的相關(guān)系數(shù)為K，K值由式(4)確定。

理論上，四只壓力傳感器在達(dá)到滿量程輸出時壓力儀的讀數(shù)應(yīng)為24.72 m。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 The test data

由表1可以看出，在同一個調(diào)理電路中，未作任何調(diào)整且換接四只不同的傳感器后，每只傳感器的相關(guān)系數(shù)仍保持非常好的一致性，說明在該調(diào)理電路下，154N型壓力傳感器的輸出信號得到了統(tǒng)一。

5 結(jié)束語

本文對154N型硅壓阻壓力傳感器及其調(diào)理電路的原理和使用情況進(jìn)行了介紹。154N型硅壓阻壓力傳感器及其調(diào)理電路搭建簡單，需要的外圍器件很少，簡單實(shí)用，可以廣泛應(yīng)用于高精度的水位監(jiān)測中。在設(shè)計電路時選擇性能可靠的元器件、繪制印制電路板時考慮好一些常見干擾的抑制，可以得到很好的水位信號輸出。上述調(diào)理電路已應(yīng)用于高精度的液位監(jiān)測儀研發(fā)工作中，并在青藏高原地區(qū)進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用，取得了良好的監(jiān)測效果。

［1］史云.地下水動態(tài)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.地下水開發(fā)利用與污染防治技術(shù)專刊，2009(6):133－135.

［2］史云，錢東平，呂長飛.基于智能網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008(S2):68－71.

［3］趙立波，趙玉龍，李建波，等.倒杯式高溫高頻響應(yīng)壓阻式壓力傳感器［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，44(7):50－54.

［4］施潮，梁福平，牛春暉.傳感器檢測技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:67.

［5］常健生.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:42.

［6］馮蒼旭.用掉電方式解決長期監(jiān)測儀器的功耗問題［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2000(3):57.

［7］史云，陳實(shí)，馮蒼旭.智能化監(jiān)測儀器在地下水監(jiān)測中的應(yīng)用［C］∥全面建設(shè)小康社會:中國科技工作者的歷史責(zé)任——中國科協(xié)2003年學(xué)術(shù)年會論文集(上)，2003:316.