硅壓阻式壓力傳感器四線制自動(dòng)補(bǔ)償驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常偉 劉文斌 姚恩厚 劉妍

（國(guó)機(jī)集團(tuán) 沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 遼寧省沈陽市 110034）

用于硅壓阻式壓力傳感器測(cè)試的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，一直備受國(guó)內(nèi)外多家傳感器生產(chǎn)廠商關(guān)注，這些年也會(huì)根據(jù)需求自制測(cè)試系統(tǒng)，其功能也不盡相同，但因?yàn)槭軉尉Ч璨牧蠝囟忍匦缘挠绊懀瑴y(cè)試系統(tǒng)的主要功能還是圍繞溫度補(bǔ)償測(cè)試和驗(yàn)證測(cè)試來設(shè)計(jì)，而硅壓阻式壓力傳感器在溫度補(bǔ)償之前，橋臂電阻均設(shè)計(jì)成半開橋連接方式，如圖1 所示，以方便后續(xù)增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻，導(dǎo)致補(bǔ)償測(cè)試的測(cè)試線實(shí)際為五線制，補(bǔ)償后需要驗(yàn)證測(cè)試的傳感器卻為四線制，如果測(cè)試系統(tǒng)想要兼顧這兩種測(cè)試方式就必須考慮到五線制轉(zhuǎn)換到四線制的問題，這同時(shí)也給測(cè)試系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)所采用的測(cè)試方法、電路通道的切換帶來諸多的局限性。

本文設(shè)計(jì)了一種硅壓阻式壓力傳感器四線制測(cè)試系統(tǒng)，即可以對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償測(cè)試，又可以驗(yàn)證壓力傳感器的信號(hào)輸出，也不涉及傳感器測(cè)試時(shí)五線制轉(zhuǎn)換到四線制的問題，同時(shí)供電與測(cè)量通道位相對(duì)固定，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、控制動(dòng)作相對(duì)較少等優(yōu)點(diǎn)，適合硅壓阻式壓力傳感器批量生產(chǎn)測(cè)試。

1 溫補(bǔ)償測(cè)試方案設(shè)計(jì)

高精度的硅壓阻式壓力傳感器的溫度補(bǔ)償，通常采用串并聯(lián)電阻補(bǔ)償計(jì)算方法，由文獻(xiàn)[1]可知，利用擴(kuò)散硅電阻的溫度特性參數(shù)，測(cè)量傳感器補(bǔ)償溫區(qū)內(nèi)不同溫度（低溫、常溫、高溫）和零壓力與量程上限壓力下四個(gè)橋臂R1、R2、R3、R4 電阻值后，由計(jì)算公式可得補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻阻值。

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)，采用四線制壓力傳感器溫度補(bǔ)償測(cè)試的方案，測(cè)試時(shí)連接方式如圖2 所示，分別依次單獨(dú)關(guān)閉開關(guān)KR1、KR2、KR3、KR4，并用萬用表G 測(cè)量網(wǎng)絡(luò)電路阻值Rk1、Rk2、Rk3、Rk4，可得橋路電阻阻值。

可由方程解得R1、R2、R3、R4 電阻值。

2 驗(yàn)證測(cè)試方案設(shè)計(jì)

圖1：半開橋連接方式

圖2：溫度補(bǔ)償連接方式

硅壓阻式壓力傳感器在經(jīng)過溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻后，輸出線為四線制（兩線輸出兩線輸入），通常需要對(duì)其進(jìn)行電信號(hào)實(shí)際輸出進(jìn)行測(cè)試，來驗(yàn)證溫度補(bǔ)償后壓力傳感器的非線性、遲滯、精度、零點(diǎn)漂移、溫度漂移等指標(biāo)是否符合要求。

圖3：轉(zhuǎn)換測(cè)試電路設(shè)計(jì)

本文測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器驗(yàn)證測(cè)試過程中持續(xù)供電的測(cè)試方案。根據(jù)傳感器供電方式的不同可選擇恒壓源或者多路恒流源，恒壓源和多路恒流源在測(cè)試過程中可使傳感器一直保持通電狀態(tài)，從而達(dá)到老化的作用，并能得到更真實(shí)的傳感器信號(hào)輸出值，起到更好的測(cè)量驗(yàn)證傳感器性能指標(biāo)的作用。通過控制轉(zhuǎn)換電路的切換，將各通道傳感器的輸出線對(duì)接到高精度萬用表上，由萬用表讀取測(cè)試數(shù)據(jù)并上傳，可以實(shí)現(xiàn)多通道傳感器的驗(yàn)證測(cè)試。

3 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)電路轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)了矩陣開關(guān)和總線開關(guān)混搭的電路。開關(guān)設(shè)備選用Agilent 34980A 多功能開關(guān)測(cè)量單元，8 槽主機(jī)可混搭21 種插入模塊，無論是矩陣開關(guān)還是總線開關(guān)均可兼容搭配；還有內(nèi)置6 位半數(shù)字萬用表作為內(nèi)置備選配件，提高系統(tǒng)的集成化，優(yōu)化設(shè)計(jì)線路，提高了空間利用率和系統(tǒng)成本。

如圖3 所示為轉(zhuǎn)換電路的連接方式。開關(guān)K1-Kn 可控制測(cè)試通道，開關(guān)K1 至開關(guān)Kn 對(duì)應(yīng)第1 只至第n 只傳感器，測(cè)試時(shí)只有一組開關(guān)可以閉合，即測(cè)試該路通道傳感器；開關(guān)KV1-KVn可為傳感器提供供電或斷電，開關(guān)KV1至開關(guān)KVn對(duì)應(yīng)第1 只至第n 只傳感器，驗(yàn)證測(cè)試時(shí)所有開關(guān)閉合，為傳感器通電，溫度補(bǔ)償測(cè)試時(shí)無需供電，斷開即可；矩陣開關(guān)1-8 可靈活搭配測(cè)量傳感器橋臂電阻和電信號(hào)輸出值，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器四線制溫度補(bǔ)償和恒壓恒流驗(yàn)證測(cè)試。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硅壓阻式壓力傳感器測(cè)試自動(dòng)補(bǔ)償、驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)，由硬件與軟件兩部分組成。硬件設(shè)計(jì)部分把工控機(jī)、程控恒壓電源、多路恒流源、測(cè)量?jī)x表、多功能開關(guān)測(cè)量單元、氣體壓力計(jì)、抽真空泵等關(guān)鍵設(shè)備集成在一起，與高低溫箱、測(cè)試夾具、測(cè)試線纜形成一整套完整的測(cè)試系統(tǒng)。恒壓源與恒流源為傳感器提供供電，測(cè)量?jī)x表用來采集傳感器信號(hào)輸出和橋臂電阻值，多功能開關(guān)負(fù)責(zé)切換多通道傳感器測(cè)試、氣體壓力計(jì)、抽真空泵和測(cè)試夾具為傳感器提供壓力控制系統(tǒng)，高低溫箱用于調(diào)節(jié)傳感器環(huán)境溫度，這些硬件設(shè)備全由工控機(jī)調(diào)控控制，為傳感器測(cè)試提供條件。

測(cè)試軟件采用C#設(shè)計(jì)人機(jī)交互軟件，由工控機(jī)負(fù)責(zé)與各個(gè)儀器儀表通訊，通訊接口由RS-232 與高低溫箱、多路恒流源、恒壓源通訊，IEEE488 與測(cè)量?jī)x表、氣體壓力計(jì)通訊，網(wǎng)口與多功能開關(guān)測(cè)量單元通訊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供電斷電、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)加壓、自動(dòng)調(diào)溫、自動(dòng)電路切換、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集等自動(dòng)測(cè)試的功能，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)測(cè)試參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要選擇報(bào)告模板出具測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié)論

多年來隨著測(cè)量與控制設(shè)備的迅猛發(fā)展，使得壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)更具有多樣性，許多生產(chǎn)商自研的測(cè)試系統(tǒng)也已經(jīng)具備多種測(cè)試功能，如何使傳感器測(cè)試更簡(jiǎn)單、更有效率，則是所有測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)者的宗旨。本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，避免了半開橋硅壓阻式壓力傳感器芯體測(cè)試時(shí)四線制與五線制轉(zhuǎn)換的問題，把壓力傳感器溫度補(bǔ)償測(cè)試與驗(yàn)證測(cè)試，恒流供電驗(yàn)證測(cè)試與恒壓供電驗(yàn)證測(cè)試等功能集成到一起，真正的實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用；針對(duì)溫度補(bǔ)償后傳感器的驗(yàn)證測(cè)試，采用了多路恒流源供電，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；該系統(tǒng)可根據(jù)使用情況和規(guī)模，拓展多路測(cè)試通道，實(shí)現(xiàn)多通道壓力傳感器的自動(dòng)測(cè)試功能，是一套適用于壓力傳感器批量生產(chǎn)測(cè)量工作的自動(dòng)化設(shè)備。