硅压阻压力传感器在地下水监测中的应用

冯建华 袁爱军 张 磊

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

0 引言

地下水水位是野外水文地质调查以及地下水常规监测中最基本的一个指标。随着科技的进步，各种地下水监测设备层出不穷。同时，为了合理地开发和利用地下水资源，遏制已有的地下水环境问题进一步恶化，并防止新的地下水开发区出现类似问题，在加强勘查的基础上，必须对地下水动态变化进行监测［1］。按照国家有关标准，根据监测变量的不同，地下水的动态监测可分为地下水位监测、地下水温度监测和地下水水质监测［2］。在大部分监测设备中，监测地下水水位的传感器通常是硅压阻压力传感器。地下水水位的变化会引起水压力的变化，而硅压阻压力传感器正是利用这个变化的压力信号来反映水位的变化的。本文介绍了比较常用的154N型压力传感器的激励电路以及信号调理原理。

1 154N型压力传感器简介

目前，耐高温高频响的压力传感器主要有压电式和压阻式两大类［3］。硅压阻式传感器灵敏度通常比金属应变计式传感器高1～2个数量级，具有体积小、质量轻、分辨率高等特点，在各行各业得到了广泛的应用［4］。文中涉及到的硅压阻压力传感器经常被应用于野外电池供电的监测设备中。154N型硅压阻压力传感器为固态结构，性能可靠，分为表压型与绝压型两大类，具有很好的非线性(±0.1%)。它的内部充有硅油，水压力通过传感器上的316不锈钢膜片以及硅油传递至压力敏感元件，压力敏感元件组成桥式测量电路。当四个电阻达到某一关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，因此，电桥能够精确地测量微小的电阻变化［5］。该传感器内部具有温度补偿电路，而且具有一个出厂前经激光调整的精密增益电阻，通过搭配少量外围器件，可以实现±1%的量程互换性。这在设计液位监测仪器尤其是压力变送器中是非常重要的，因为一个性能优异的传感器调理电路，它的输出信号应该不受传感器的限制，调理电路应具有通用性。154N型压力传感器内部的增益电阻满足这种要求。154N型压力传感器的内部结构示意图如图1所示，其引出线为六芯的扁平电缆。其中，(1)为信号正、(2)为供电负、(3)为供电正、(4)为信号负、(5)为增益调节电阻端1、(6)为增益调节电阻端2。

图1 154N型硅压阻压力传感器结构示意图Fig.1 Structure of 154N silicon piezoresistive pressure transducer

2 压力传感器调理电路

154N型压力传感器的调理电路如图2所示。

图2 154N型压力传感器调理电路Fig.2 The conditioning circuit of 154N pressure transducer

该电路分为恒流激励源和增益调整两个部分。其中，电阻1、2、3、4为硅压阻压力传感器内部的四个压力应变片，它们将水压力的变化转化为差分的电信号;电阻r为经过激光调整的精密增益调节电阻;R1、R2为精度为0.1%的金属膜精密电阻，该电阻的温度系数需要尽量小。两个外接运算放大器需选择低偏置电压与低漂移的精密运放。大部分运算放大器内部至少集成了两个性能指标几乎一致的放大器，应用这种元器件可以得到很好的性能。恒流激励源的输出电流为0.996 mA。在这个电路的调理下，输出信号范围为0～2 V，并且该输出信号范围不随所接入的传感器类型(表压或绝压)以及量程范围变化而变化，统一了输出信号，且便于应用。

3 信号调理的原理

在如图2所示的调理电路中，选择0.996 mA的恒流激励源以及100 kΩ的反馈电阻R1与R2，可以使电路达到最佳的调理效果。在出厂前，每只154N型压力传感器内部经激光调整过的增益电阻r按照式(1)确定其阻值。

式中:Si为在参考激励电流0.996 mA下传感器未经放大的信号;RF为参考反馈电阻，阻值为100 kΩ;Vamp为经过放大的信号输出。

当选择其他任意阻值的反馈电阻时，输出信号范围为So，如式(2)所示。令未经调理的输入信号为Si，经过调整后的信号为So，反馈电阻为R。

式中:A=I/Io，为实际调理电路中压力传感器激励电流与参考电流的比值。

因为r是基于上述计算公式得到的，所以当按照确定r时的参数确定实际调理电路的各个参数时，即可得到A=1的结果。同时因为选择100 kΩ反馈电阻，则式(2)中的So变为:

由式(3)可以看出，经放大后的信号输出与所选择的传感器已经没有关系了，变成固定值2，即信号输出范围为0～2 V，实现了输出信号与传感器的隔离。该电路需要的外围器件很少，同时电流消耗理论值在1 mA左右。配合低功耗的微控制器系统，可以方便地组建采用电池供电的野外地下水监测仪器。水文地质和灾害地质的长期监测是一项艰苦而重要的工作，监测地点往往交通不便，有的还没有电力设施，所以监测仪器一般采用干电池供电、全自动工作、无人值守、定时测量等［6］。同时，地下水监测是为保障社会经济可持续发展而开展的一项重要的基础性、公益性工作［7］，这种传感器与调理电路可以满足基本的地下水水位监测的需要。

4 试验记录

4.1 元器件的选择

试验调试电路按照图2设计。元器件选择如下。

①选择德州仪器公司的精密运放OPA2335作为放大器件。该集成运放是该公司“零漂移”系列中的一款，具有极低的输入偏置电压与极小的温度漂移，最大输入偏置电压值为5 μV，最大温度漂移为0.05 μV/℃，性能相当优异。

② 选择精度为0.1%、温度系数为25×10－6的精密金属膜电阻作为增益调整部分的反馈电阻，保证压力调整电路信号输出的温度稳定性。

③ 选择编号为15858-0008、18054-0010、18054-0048以及18054-0016的四只硅压阻压力传感器来对比相同调理电路下的信号输出的一致性。上述四只压力传感器量程范围均为0～3.44×103Pa，可以测量相当于0～35 m变幅的水位变化。

4.2 试验过程及数据分析

将四只压力传感器的输出端连接调理电路的输入端，调节该电路的激励电流至0.996 mA。压力传感器的输入端连接标准压力仪的压力输出端，利用压力仪产生高、低两种压力环境，观察记录两种压力环境下传感器的输出电压。

低压端压强P0为试验开始时的气压，值为1.01×103Pa，相当于10.28 m水深的压力值，记录此时压力传感器的输出并作为低端压力输出值E0。利用标准压力仪，给压力传感器施加外部压力至传感器输出为满量程2000 mV，记录此时的标准压力仪的读数作为高端压力标记值P1。设每只传感器输出随压力变化的相关系数为K，K值由式(4)确定。

理论上，四只压力传感器在达到满量程输出时压力仪的读数应为24.72 m。试验数据如表1所示。

表1 试验数据Tab.1 The test data

由表1可以看出，在同一个调理电路中，未作任何调整且换接四只不同的传感器后，每只传感器的相关系数仍保持非常好的一致性，说明在该调理电路下，154N型压力传感器的输出信号得到了统一。

5 结束语

本文对154N型硅压阻压力传感器及其调理电路的原理和使用情况进行了介绍。154N型硅压阻压力传感器及其调理电路搭建简单，需要的外围器件很少，简单实用，可以广泛应用于高精度的水位监测中。在设计电路时选择性能可靠的元器件、绘制印制电路板时考虑好一些常见干扰的抑制，可以得到很好的水位信号输出。上述调理电路已应用于高精度的液位监测仪研发工作中，并在青藏高原地区进行实地应用，取得了良好的监测效果。

［1］史云.地下水动态监测技术现状与发展［J］.地下水开发利用与污染防治技术专刊，2009(6):133－135.

［2］史云，钱东平，吕长飞.基于智能网络传感技术的地下水动态监测系统［J］.农业工程学报，2008(S2):68－71.

［3］赵立波，赵玉龙，李建波，等.倒杯式高温高频响应压阻式压力传感器［J］.西安交通大学学报:自然科学版，2010，44(7):50－54.

［4］施潮，梁福平，牛春晖.传感器检测技术［M］.北京:国防工业出版社，2007:67.

［5］常健生.检测与转换技术［M］.北京:机械工业出版社，1999:42.

［6］冯苍旭.用掉电方式解决长期监测仪器的功耗问题［J］.水文地质工程地质，2000(3):57.

［7］史云，陈实，冯苍旭.智能化监测仪器在地下水监测中的应用［C］∥全面建设小康社会:中国科技工作者的历史责任——中国科协2003年学术年会论文集(上)，2003:316.