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(cè)中最基本的一個(gè)指標(biāo)。隨著科技的進(jìn)步，各種地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備層出不窮。同時(shí)，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(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)［1］。按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)變量的不同，地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)可分為地下水位監(jiān)測(cè)、地下水溫度監(jiān)測(cè)和地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)［2］。在大部分監(jiān)測(cè)設(shè)備中，監(jiān)測(cè)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(huì)引起水壓力的變化，而硅壓阻壓力傳感器正是利用這個(gè)變化的壓力信號(hào)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(lì)電路以及信號(hào)調(diào)理原理。

1 154N型壓力傳感器簡(jiǎn)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(jì)式傳感器高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，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(cè)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(cè)量電路。當(dāng)四個(gè)電阻達(dá)到某一關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，否則就有電壓輸出，因此，電橋能夠精確地測(cè)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(gè)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(jì)液位監(jiān)測(cè)儀器尤其是壓力變送器中是非常重要的，因?yàn)橐粋€(gè)性能優(yōu)異的傳感器調(diào)理電路，它的輸出信號(hào)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(hào)正、(2)為供電負(fù)、(3)為供電正、(4)為信號(hào)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(lì)源和增益調(diào)整兩個(gè)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(gè)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(hào);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(gè)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(gè)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(lì)源的輸出電流為0.996 mA。在這個(gè)電路的調(diào)理下，輸出信號(hào)范圍為0～2 V，并且該輸出信號(hào)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(hào)，且便于應(yīng)用。

3 信號(hào)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(lì)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(lì)電流0.996 mA下傳感器未經(jīng)放大的信號(hào);RF為參考反饋電阻，阻值為100 kΩ;Vamp為經(jīng)過放大的信號(hào)輸出。

當(dāng)選擇其他任意阻值的反饋電阻時(shí)，輸出信號(hào)范圍為So，如式(2)所示。令未經(jīng)調(diào)理的輸入信號(hào)為Si，經(jīng)過調(diào)整后的信號(hào)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(lì)電流與參考電流的比值。

因?yàn)閞是基于上述計(jì)算公式得到的，所以當(dāng)按照確定r時(shí)的參數(shù)確定實(shí)際調(diào)理電路的各個(gè)參數(shù)時(shí)，即可得到A=1的結(jié)果。同時(shí)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(hào)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(hào)輸出范圍為0～2 V，實(shí)現(xiàn)了輸出信號(hào)與傳感器的隔離。該電路需要的外圍器件很少，同時(shí)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(cè)儀器。水文地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)艱苦而重要的工作，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)往往交通不便，有的還沒有電力設(shè)施，所以監(jiān)測(cè)儀器一般采用干電池供電、全自動(dòng)工作、無人值守、定時(shí)測(cè)量等［6］。同時(shí)，地下水監(jiān)測(cè)是為保障社會(huì)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(cè)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?qǐng)D2設(shè)計(jì)。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(hào)輸出的溫度穩(wěn)定性。

③ 選擇編號(hào)為15858-0008、18054-0010、18054-0048以及18054-0016的四只硅壓阻壓力傳感器來對(duì)比相同調(diào)理電路下的信號(hào)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(cè)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(lì)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(hào)得到了統(tǒng)一。

5 結(jié)束語

本文對(duì)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(jiǎn)單，需要的外圍器件很少，簡(jiǎn)單實(shí)用，可以廣泛應(yīng)用于高精度的水位監(jiān)測(cè)中。在設(shè)計(jì)電路時(shí)選擇性能可靠的元器件、繪制印制電路板時(shí)考慮好一些常見干擾的抑制，可以得到很好的水位信號(hào)輸出。上述調(diào)理電路已應(yīng)用于高精度的液位監(jiān)測(cè)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(cè)效果。

［1］史云.地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)飛.基于智能網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(bào):自然科學(xué)版，2010，44(7):50－54.

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［6］馮蒼旭.用掉電方式解決長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(cè)儀器在地下水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［C］∥全面建設(shè)小康社會(huì):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(huì)論文集(上)，2003:316.