压力变送器里的恒流源:比例式、带隙基准式与斩波稳零的精度边界在哪
客户提问:"几台 0.5 级扩散硅压力变送器,冬夏差出近 1%FS,回实验室常温标定又合格。是敏感器老化,还是给电桥供电的恒流源有问题?"
一、恒流源站在信号链上游
扩散硅压阻敏感器本质是一只惠斯通电桥,输出幅度正比于激励量与压阻系数,激励源的温度稳定性会直接叠加在满量程输出上。恒压激励时压阻系数随温升下降,灵敏度温度系数约 -0.2%/℃ 量级;恒流激励下桥等效激励电压随桥臂电阻上升而增大,可部分抵消这一负温度系数;若再给恒流源设计正温度系数(带隙基准配合电阻网络),残余温漂可压到 10⁻⁵/℃ 量级。同一只敏感器配不同激励电路,实测温漂能差一个数量级。
二、几种恒流源的漂移量级
- 比例式:激励由电源经电阻设定或与 ADC 参考同源,电源波动被比例抵消,准确度仍受基准与电阻温漂限制,配普通薄膜电阻(数十 ppm/℃)时对应 0.5 级。
- 带隙基准式:以 1.25V、2.5V 量级基准加运放做 V-I 转换,配低 TCR 电阻,温漂可到 10⁻⁵ 量级,对应 0.1 级、0.2 级。
- 斩波稳零式:用斩波稳零运放把失调压到微伏级、失调温漂到 0.0x μV/℃,配金属箔电阻(TCR 个位数 ppm/℃),并用 DAC 逐点温度补偿,对应 0.05 级及宽温区。
- 开关调制式:用 PWM 或 DAC 调激励,便于把补偿表写进温度—激励曲线,代价是纹波与 EMI。
三、除温漂外还要盯三件事
- 自热:激励过大使硅片发热带来零点漂移,桥阻 kΩ 量级时激励常取 1mA 上下;
- 引线电阻:敏感器远离电路时引线串入桥路,应改三线或四线开尔文接法;
- 噪声:1/f 噪声决定分辨率下限,需与滤波带宽一起权衡。
四、通用工程原则
按精度等级确定激励架构:0.5 级及以下可用比例式,0.1 级上下用带隙基准式,更高精度配斩波稳零与数字补偿;按温度范围确定补偿方式,温区越宽越依赖逐点标定与查表;按介质与安装方式确定隔离与引线方案。周期检定按 JJG 882 执行,温漂异常先查激励源与自热。