无源传感器的互换：硅压阻压力传感器的互换性实现方式、可互换性NTC与典型NTC输出特性比较

文章开始我们先说明一下无源和有源器件的区别。

无源器件：一般而言，接入电路后，器件本身表现出来的特性是完全由电阻、电容及电感三者任意组合的方式构成的，称之为无源器件。比较典型的如NTC，PTC，PT100/200，硅压阻压力传感器，电容式压力传感器等。

有源器件：接入电路后在该器件内部产生电压源或者电流源特性的器件，称之为有源器件。比较典型的如热电堆，热电偶，光敏管，各类三极管等。

 

 

其次，在提倡标准化的当今，我们需要重视产品的互换性在规模化生产应用过程中的重要作用。互换性对产品的影响，可以从产品替换后的以下几种情况进行简单比较分析：

电路及固件等完全不需要再调整

电路不需要调整，固件或者参数稍微调整

电路稍微调整，固件不需要调整

 电路和固件都需要调整

 

第一种情况是比较理想的情况；第二种情况可以接受；第三种情况尚可接受但是较少出现；第四种情况需要尽可能避免。以上都需要考虑应用环境变化的影响下保持替换性。 当我们看一款无源传感器的特性介绍时，其某项参数特性背后往往是多种因素综合的结果。如果在应用中选择产品中看到关键参数特性在其正态分布的范围上的大小时，作为应用设计者需要评估并在产品的性能指标与驾驭能力之间做一个平衡。如果产品的设计不是为了花更多的时间和费用去改造这个传感器，并且需要提高生产效率，以及保证后续产品的维护便捷性，那么就仍然会考虑所选传感器的互换性。 传感器的互换性交给传感器生产者保证；传感器的规模化应用由传感器应用者完成。这是一个良性的，相互促进的循环。当然也有很多专业的应用者会充分利用自身对传感器的驾驭能力，放宽对初级产品互换性的要求，但这也不会更改互换性的定义。

 

另一方面，互换性也是相对的。仍然取决于产品应用对于传感器特性的输出范围的要求。说到底就是性价比，以及产品的渠道稳定性等。

 

关于互换性的差异，我们先对两款压力传感器作一个简单的比较。

 

表-1: 有无校准补偿的压力传感器基本输出比较

 

 

从表-1可以很明显地看到有无校准补偿的产品在输出特性上的差异。而这种差异毫无疑问会导致应用电路设计上不同的考虑。两种产品对两类应用者进行了“量身定制”。但是从互换性的特征而言，经过初步校准补偿的NPC-1220肯定会胜出一筹。

 

本文将会对以下两类无源性传感器进行简述：

 

 

硅压阻压力传感器的互换性实现方式

 

 

可互换性NTC与典型的NTC输出特性的比较

 

 

 

压力传感器互换性实现方式

 

方式-1：温度系数补偿& Zero/FSO校准

 

 

图1 基于电阻网络的补偿和校准(1)

 

经电阻网络进行温度补偿，及零点OFFSET或满量程FSO校准，此类传感器一般具有良好的温度稳定性，如无必要，应用中考虑零点和FSO的调整即可。请对比前面提到的几种产品互换性特点。在给定的激励方式下，有两种情况：

 

a. 如果产品对于零点有设定（如OFFSET为1.0%FSO），而FSO因为原理性原因没有校准设置（如FSO为170mv~230mv），实际应用中要对量程的增益大小做相应的软硬件调整即可实现替换（实际应用中一般对于0点也会根据应用所需精度要求进一步调整）。这种补偿校准方式多出现在使用恒流源作为激励的压力传感器上，如下两个传感器系列：

 

NPI-15系列

 

 

NPI-19系列

 

b. 如果产品对于零点和满量程都有设定（如OFFSET为1.0%FSO，FSO为50mV），那么实际应用中需要调整的部分相对将会很少。这种补偿校准方式多使用恒压源作为激励，如下两个压力传感器系列：

 

NPI-15VC 系列

 

 

NPI-19VC 系列

 

 

 

图-2 NPI-15/19系列

 

方式-2:调整驱动电流的方式标幺化未放大的FSO实现互换性

图-3 内置电流设定电阻（虚线框内为传感器）

 

在（方式-1-a）中，压力传感器在恒流源的激励下，其FSO仍然没有进行校准统一，因此在互换性上存在改进的空间。由于传感器具有的输出与激励电流的大小存在线性比例关系特性，因此在负载不变的情况下，我们可以通过改变每个传感器的激励电流的大小来控制输出FSO的值，从而可以达到校准FSO的目的。图-3中显示的硬件架构就是这种想法的具体实现。其中红色电阻就是这个控制激励电流大小的电阻，一般都是通过激光修刻的方式根据测量计算值制作在陶瓷厚膜电阻上的，从而实现产品互换性的进一步改善。图-3中：

 

其中：

 

P负载压力

 

 

KIp是与压力相关的灵敏度系数

 

 

KId是与激励电流相关的灵敏度系数

 

 

Id传感器激励电流

 

 

KIp_offset是0点输出与激励电流的灵敏度系数

 

 

Voffset是压力为0时的0点输出，理想情况下，该值可以忽略

 

 

总体上，式-（1）中第二项作为原理性分析可以忽略，因此，当0点的输出经过校准补偿接近于0V时，简化式-1可得：

 

当驱动电流为mA，满负载加载时，输出信号FSOdiff：

 

由于传感器的线性比例特性，如果我们改变满量程输出由FSOdiff为FSOTarget，那么其激励电流Id应该为：

 

如果我们规定图-3中参考电压Vref为一个合理的固定值，那么电路中唯一需要调整的就是电流设定电阻Rref。然后通过压力校准得到Rref，再由激光修刻将该阻值在陶瓷厚膜电阻上实现即可。在方式-2中，标幺化后的满量程FSO还不是一个放大后的电压信号。典型的产品如NPC-1220。此时用上一个仪表放大或者三运放电路正当时。

 

 

图-4 更具互换性的NPC-1220系列( 0~50mV @1.235V)

方式-3: 利用增益调整放大输出信号的实现互换性

 

图-5 增益调整设定FSO（虚框内为传感器）

 

该方式仍然在（方式-1-a）的基础上进行。与（方式-2）相比，殊途同归，但是这次是将放大的信号通过调整增益的方式进行标幺化统一了放大输出的大小（FSO）（如图-5），从而实现更好的互换性。在（方式-2）中，我们通过调整激励电流Id的大小控制FSO的输出一致性，而在图-5的放大电路中，如需要一个统一的放大信号输出，在负载P，相关系数KId、KIP不变，乃至激励Id也固定的情况下，我们只要调整信号放大的增益 即可实现对FSO的控制。对于图-5中的FSO，有：

 

 

 

在该类产品中，调整增益的电阻RG也是通过校准后通过厚膜电阻激光修刻的方式集成在传感器上的。由于压力传感器本身并不集成放大电路，因此，提供产品参数时，仍然会以在固定激励电流（如1.5mA）下给出放大前的信号范围。该原始信号在差分放大之前仍然以不统一的方式呈现在规格书上，使用者需要了解该类产品的应用特点，充分发挥互换性的特点。需要留意的是，放大电路同时也会将OFFSET（Voffset）部分进行放大。其实，不管是这种形式的输出，还是之前的输出方式，几乎所有的后端处理上都会需要进行调零、校准等处理。

 

该型产品的典型代表就是NPC-1210压力传感器。

 

 

图-6 NPC-1210

 

关于差分信号的处理，可以参考之前我们发布的有关文章。

 

可互换性NTC与典型的NTC输出特性的比较

 

对于绝大多数的NTC热敏电阻，其规格书上一般都要提供以下几个内容的参数：

 

Part-1:

 

 

R(T0),NTC在参考温度下（一般为25℃）的电阻阻值，温度单位为绝对温度K

 

 

β,Beta值，热敏电阻在特定温度范围内的R-T材料特性（单位：K）

 

 

工作温度范围

 

 

 

Part-2:

 

 

热耗散常数

 

 

热时间常数

 

 

…

 

 

而在安费诺传感器Thermometrics品牌下有一个系列的产品特别称之为可互换性的热敏电阻，其特点在产品规格书中就与众不同。它不是描述前面提到的参数中如R(T0）及β值的误差范围，而是直接提供了测量温度误差，比如在-40℃to105℃内，±0.1℃误差。

 

在没有比较的情况下，确实无法确定哪类产品会提供更加准确的测量值。以下就以同样是Thermometrics生产的NTC通用型产品NTC NDL103C1R1，在给定的精度范围内的阻值特性作一个比较。我们分别看看该款传感器如果在理想情况下，给定±0.1℃和±0.5℃测量误差时的输出阻值范围，以及在通常给定R(T0)和β值的误差范围情况下输出阻值的范围大小。

 

 

图-7 不同误差范围和方式下输出阻值曲线图

 

测试温度范围为。其中按照产品说明书上的给定：

 

R25=10000ohm

 

 

β=3977K

 

 

在同样输出比例的情况下，明显看出，要实现±0.1℃的互换性的要求要远高于其余比较项。对于该款产品，±0.1%R25，±0.75%β的所带来的误差特性与±0.5℃的误差相仿，甚至还略微超出。
安费诺传感器特指的可互换性NTC是在安装给定的R-T算法给出的阻值温度表中，能够保证测量所得的NTC阻值再进行回算所得的温度与实际温度偏差不超过给出的误差范围。应用过程中，可互换性并非单指这种高精度的NTC，实际上只要满足应用需求，其它很多高可靠性、测量误差小的NTC在汽车、工业级医疗等领域一直都在广泛使用着。
还是那句话：选择产品的互换性，取决于应用要求，还有就是产品的性价比，再有就是产品的供货渠道稳定性。安费诺传感器随时为您提供各种传感器解决方案。

后记

 

安费诺传感器不仅提供各类无源且互换性优良的传感器，也提供各种有源器件以及数字调理、接口形式多样并满足各种应用场合的传感器产品和方案。安费诺传感器在国内的业务从最初的“In China, For China”发展到现在的“In China, For Global”。需求不断改变，我们服务于用户的心一直不会改变。