MPX2100压力传感器及其应用

    摘要：介绍了美国Motorola公司生产的MPX2100压力传感器的工作原理，给出了基于MPX2100构成的数字压力计以及V/F变换器的应用电路。

    关键词：压力传感器 电压频率变换 数字压力计 MPX2100

利用Motorola公司生产的MPX2100半导体压力传感器可以把压力转换成毫伏级的差模电压信号，该压力传感器具有良好的线性度，它的输出电压与所加压力成精确的正比例关系。另外，MPX2100所具有的温度被偿特性克服了半导体压力敏感器件存在温度漂移问题，因而具有广阔的应用前景。

1 工作原理

MPX2100有4个引脚，1脚接地，3脚加工作压力，2脚和4脚之间输出与压力成正比的差模电压信号。

MPX2100是一种压阻式压力传感器，在硅基片上用扩散工艺制成4个电阻阻值相等的应变元件构成惠斯顿电桥。电桥有恒压源供电和恒流源供电两种供电方式。采用恒压源供电的原理图如图1所示。

当压力传感器受到压力作用时，一对桥臂的电阻值增大ΔR，另一对桥臂的电阻值减少ΔR，电阻变化量ΔR与压力成正比，即ΔR=KP，电桥输出电压Uo=E(ΔR/R)=(EK/R)P，即电桥输出电压与压力P成正比。

2 基于MPX2100的数字压力计

MPX2100构成的数字压力计如图2所示。MPX2100的工作电压为12V，传感器4脚和2脚之间输出的压力信号送到IC1、IC2进行放大，放大器的增益为1+40/RP1，IC1、IC2接成同相输入阻态，可以获得仪器放大器所需的高输入阻抗；IC3是一个单位增益的差动放大器，通过它可以获得较高的CMRR，IC4和RP2分压电路构成调零电路，RP1用来调节放大器电路的增益，以完成满量程压力时的显示数字校准。IC3输出的电压加在A/D转换器IC5的模拟电压输入端（31脚），并由IC5转换成数字量以驱动LED显示器显示压力的大小。

3 电压频率变换电路

图3所示是由MPX2100构成的电压频率变换电路。该电路由放大和电压频率变换两部分组成，并由一个4运放和一些电阻组成放大电路，它具有高差模增益和高共模抑制比，而且输入阻抗高，可以调整电路的偏置。电路的差模放大主要由A1完成，A2用来防止运放的反馈电路流入传感器的负端。在零压力时，传感器的2脚和4脚之间的电压之差为零。如果2脚和4脚的共模电压各为4V（传感器电源电压的一半），则A1的1脚电压也是4V，这样，该电压经A3和A4路即可使其输出为零压力电压。输出端的零压力偏置由R4和R12引入，调节R12可以设置偏置电压。通过R7可选择从13脚看过去的阻抗，通常为1kΩ。放大器增益AV=R5[1+(R11/R10)]/R6=125。选择增益为125可使传感器的满量程输出摆幅在32mV时放大到4V的摆幅。

A3输出端输出的0.5～4.5V的电压经V/F变换后可输出1～10kHz的频率。A3的8脚与AD654V/F变换器相连。其满量程输出频率由R3、R13和C3决定，并可根据下式来计算：

Fout(满量程)=Vin/[10(R3+R15)C3]

为了获得最好的性能，R3和R13的选择应使AD654的3脚在满量程时有1mA的驱动电流。AD654的输入级是一个运放，因此它的3脚和4脚电压相等（虚短），这样在满量程时，3脚的电压为4.5V，R3+R13约为4.5kΩ，因此，流过R3和R13的电流为4.5V/4.5k=1mA。也就是说，R3+R13一旦给定，C3将决定V/F的满量程输出频率。微调R13可实现满量程频率的调整。零压力频率的调整可通过调节R12来实现。频率输出的边沿跳变速度可通过一个小信号FET反相器来提高（BS107A），该电路的最后输出与微控制器的计数器输入兼容。