MPX2100壓力傳感器及其應用

摘 要：介紹了美國Motorola公司生產的MPX2100壓力傳感器的工作原理,給出了基于MPX2100構成的數字壓力計以及V/F變換器的應用電路。

關鍵詞：壓力傳感器 電壓頻率變換 數字壓力計 MPX2100

利用Motorola公司生產的MPX2100半導體壓力傳感器可以把壓力轉換成毫伏級的差模電壓信號,該壓力傳感器具有良好的線性度,它的輸出電壓與所加壓力成精確的正比例關系。另外,MPX2100所具有的溫度被償特性克服了半導體壓力敏感器件存在溫度漂移問題,因而具有廣闊的應用前景。

1 工作原理

MPX2100有4個引腳,1腳接地,3腳加工作壓力,2腳和4腳之間輸出與壓力成正比的差模電壓信號。

MPX2100是一種壓阻式壓力傳感器,在硅基片上用擴散工藝制成4個電阻阻值相等的應變元件構成惠斯頓電橋。電橋有恒壓源供電和恒流源供電兩種供電方式。采用恒壓源供電的原理圖如圖1所示。

當壓力傳感器受到壓力作用時,一對橋臂的電阻值增大ΔR,另一對橋臂的電阻值減少ΔR,電阻變化量ΔR與壓力成正比,即ΔR=KP,電橋輸出電壓Uo=E（ΔR/R）=（EK/R）P,即電橋輸出電壓與壓力P成正比。

2 基于MPX2100的數字壓力計

MPX2100構成的數字壓力計如圖2所示。MPX2100的工作電壓為12V,傳感器4腳和2腳之間輸出的壓力信號送到IC1、IC2進行放大,放大器的增益為1+40/RP1,IC1、IC2接成同相輸入阻態,可以獲得儀器放大器所需的高輸入阻抗;IC3是一個單位增益的差動放大器,通過它可以獲得較高的CMRR,IC4和RP2分壓電路構成調零電路,RP1用來調節放大器電路的增益,以完成滿量程壓力時的顯示數字校準。IC3輸出的電壓加在A/D轉換器IC5的模擬電壓輸入端（31腳）,并由IC5轉換成數字量以驅動LED顯示器顯示壓力的大小。

3 電壓頻率變換電路

圖3所示是由MPX2100構成的電壓頻率變換電路。該電路由放大和電壓頻率變換兩部分組成,并由一個4運放和一些電阻組成放大電路,它具有高差模增益和高共模抑制比,而且輸入阻抗高,可以調整電路的偏置。電路的差模放大主要由A1完成,A2用來防止運放的反饋電路流入傳感器的負端。在零壓力時,傳感器的2腳和4腳之間的電壓之差為零。如果2腳和4腳的共模電壓各為4V（傳感器電源電壓的一半）,則A1的1腳電壓也是4V,這樣,該電壓經A3和A4路即可使其輸出為零壓力電壓。輸出端的零壓力偏置由R4和R12引入,調節R12可以設置偏置電壓。通過R7可選擇從13腳看過去的阻抗,通常為1kΩ。放大器增益AV=R5[1+（R11/R10）>/R6=125。選擇增益為125可使傳感器的滿量程輸出擺幅在32mV時放大到4V的擺幅。

A3輸出端輸出的0.5～4.5V的電壓經V/F變換后可輸出1～10kHz的頻率。A3的8腳與AD654V/F變換器相連。其滿量程輸出頻率由R3、R13和C3決定,并可根據下式來計算：

Fout（滿量程）=Vin/[10（R3+R15）C3>

為了獲得最好的性能,R3和R13的選擇應使AD654的3腳在滿量程時有1mA的驅動電流。AD654的輸入級是一個運放,因此它的3腳和4腳電壓相等（虛短）,這樣在滿量程時,3腳的電壓為4.5V,R3+R13約為4.5kΩ,因此,流過R3和R13的電流為4.5V/4.5k=1mA。也就是說,R3+R13一旦給定,C3將決定V/F的滿量程輸出頻率。微調R13可實現滿量程頻率的調整。零壓力頻率的調整可通過調節R12來實現。頻率輸出的邊沿跳變速度可通過一個小信號FET反相器來提高（BS107A）,該電路的最后輸出與微控制器的計數器輸入兼容。

MPX2100半導體壓力傳感器可為壓力探測提供一種性價比高的可靠方法,因此,它將在諸多領域得到廣泛的應用。