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壓力傳感器范文1
【關鍵詞】 光纖光柵 傳感器 壓力
1 引言
光纖傳感器是當今光纖測量技術領域研究的熱點課題之一，用這種結構新穎的傳感器實現的測量系統，在測量現場可視為“全光學”式，在易燃易爆工況下尤為適用。本文針對特殊工況下的測量現場要求，提出基于光纖傳感技術的分布式壓力監測系統，它與傳統的測量系統相比，測量現場完全無電，可應用于易燃易爆場合。
2 傳感器原理及結構
2.1 光纖光柵傳感原理
光纖光柵是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵。光纖布拉格光柵的結構如圖1所示。入射進光纖光柵的寬帶光，只有滿足一定條件的波長的光能被反射回來，其余的光都被透射出去。光纖光柵傳感的基本原理是利用光纖光柵的有效折射率和光柵周期對外界參量的敏感特性，將外界參量的變化轉化為其布拉格波長的移動，通過檢測光柵反射的中心波長移動實現對外界參量的測量。
根據光柵理論，對滿足布拉格條件的光波產生反射，該光波的波長稱為光纖光柵的中心波長，與折射率和光柵周期的關系為：
（1）
式中： 為反射波波峰處波長，即后向反射波長;Λ為光柵周期; 為光纖模式的有效折射率。
從上式可以看出，改變光柵的有效折射率或光柵周期，就能改變光柵反射中心的波長。利用這一特性，可以將光纖光柵用于許多物理量的測量。當光柵所受應變（應力）和其周圍溫度發生變化時會導致其芯區的有效折射率n和光柵周期Λ發生變化，從而使布拉格波長發生偏移[1]。通過檢測反射波長的偏移量，即可獲得相應的應變（應力）和周圍溫度的大小。
當環境溫度不變，光纖光柵只受應變作用時，其中心反射波長的相對變化為：
（2）
對于普通光纖=0.22。對于裸光柵應變系數為1.2pm/。
對于裸光柵而言，由于剝掉光纖涂覆層造成的損傷，通常當光柵被直接拉伸到諧振波長漂移2nm左右時，光柵即被折斷。為了增加光柵的韌性，常常將光柵粘貼在某個附體上，這樣光纖光柵拉伸漂移量可達到數十納米。
2.2 結構
該FBG壓力傳感器主要由圓盤基座，傳感探頭和碟形彈簧組成。傳感探頭是一個彈性元件，在其表面有一凹槽，用美國生產的型號為EPO-TEK 353ND膠將光纖光柵粘貼在凹槽內。用蝶行彈簧將傳感探頭安裝在圓盤基座里，在圓盤基座安裝多個傳感探頭，并將其串接就構成了分布式壓力傳感器。
3 實驗及結果
光纖光柵壓力傳感系統的基本構成由兩大部分組成：傳感光柵、解調儀，示意圖如圖2所示。待測量加在傳感光柵上，光源出射的光在FBG中傳輸時，Bragg反射光波的中心波長產生漂移，經耦合器導入解調儀，在分析儀中可檢測出，從而確定待測量。
對傳感器進行壓力測試實驗，實驗過程分別對每個FBG進行測試壓力，由0-10Kg，每次增加1Kg，壓力由電子秤加載，光纖光柵的中心波長由解調儀檢測。
實驗選擇的光纖光柵的中心波長分別為1285nm，1291nm和1297nm。實驗數據如表1示。
從圖中，可以得到6個結論。
（1）檢測范圍：實驗中設計的傳感器的測量范圍最大10kg（根據需要，測量范圍可設計得大于12kg，但不能太大），實際測量中稍大于12kg也可以測量，但靈敏度很差，測量的數據很不準確。
（2）線性度：從0kg到10kg區域，FBG1的線性擬合度達0.98767， FBG2的線性擬合度達0.99018，FBG3的線性擬合度達0.9895。在這一測量范圍具有很好的線性度。
（3）靈敏度：從0kg到10kg區域，FBG1的靈敏度為0.4727nm/kg，FBG2的的靈敏度為0.30601nm/kg，FBG3的的靈敏度為 0.39561nm/kg。
（4）精度：在本實驗中，影響測量精度的主要因素有兩方面：一是解調儀的測量精度;二是實驗裝置自身引起的誤差。而且主要取決于解調儀，實驗采用的解調儀的測量分辨率為1pm.精度為±5pm。
（5）重復性：經過反復多次測量，所得各條曲線都很靠近，證明其重復性很好。
（6）對壓強具有很好的響應性，沒有發生遲滯現象。
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關鍵詞 單片集成 壓力傳感器 信號處理
中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A
0前言
隨著科學技術的迅速發展，傳感器技術也逐漸應用到國民經濟的各個領域，從汽車電子到醫療設備，傳感器技術隨處可見。因此，提高傳感器和檢測電路的整體性能是非常有必要的。集成單片硅傳感器，有效地將傳感器與放大、運算以及溫度補償等環節一體化，組裝成一個器件，既減少了成本，又提高了可靠性。
1電路硬件設計
壓力傳感器混合信號調理電路包括模擬部分和數宇部分。模擬電路包含：恒流源電路、放大電路和濾波電路。其中，恒流源電路為壓力傳感器供電；放大電路對傳感器的輸出信號進行放大并歸一化；濾波電路抑制放大輸出信號中的干擾。數宇電路包括開關量控制電路和RS232通信電路，RS232通信電路主要用于下位機與上位機的通信?；旌闲盘栒{理電路整體框圖如圖1所示。
1.1恒流源電路設計
用恒流源供電時，由于采用的傳感器具有靈敏度溫度自補償功能，無需外加電路補償，簡化了電路，節省了成本，恒流源供電電路如圖2所示。
圖中C點電壓Vc是穩定的電壓，由運放的“虛短、虛斷”原理可知：B點電壓VB=VC，則給傳感器供電的電流激勵I=VB/R需要注意的是，運算放大器的負載包含傳感器電阻橋和電阻R，其中電阻橋1、3端所對應的阻值很大，同時電阻橋的電阻值隨溫度而改變，因此這兩端的壓降也會很大，再加上R的壓降后會更大，因此運算放大器輸出電壓的最大幅值必須足夠大。
1.2運算放大電路設計
儀表放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、高共模抑制比。通常，由集成運算放大器構成的儀表放大器價格較低，適應性較寬；單片式結構在生產時已經調整到很高的精度，但是價格比較昂貴。為了降低成本，采用三運放儀表運算放大電路。
1.3濾波電路設計
干擾抑制包括RC濾波電路以及軟件編寫的數宇濾波。RC濾波電路是為了抑制廣譜噪聲和模數轉換前的抗混疊噪聲；而軟件編寫的數宇濾波是為了使單片機的采集信號更準確。
RC濾波電路采用二階RC有源低通濾波電路，RC有源濾波器的諧振頻率可由RC網絡任意設定，網絡的損耗由運算放大器補償。
1.4 RS232通信電路設計
RS232通信是PC機與單片機用2根線方式進行全雙工異步通訊。由于AVR單片機輸入輸出電平為TTL電平，PC機配置的是RS232標準串行接口，二者電氣規范不一致，因此必須進行電平轉換。MAX232芯片是一種新類型的電平轉換器，僅需+5 V電源供電。這種電平轉換器可將2路TTL電平轉換成RS232電平，也可將2路RS232電平轉換成TTL電平。
2軟件設計
軟件分2部分：單片機程序和上位機串口通訊程序。單片機程序要完成上電初始化、數宇濾波、ADC采集、開關量控制和與上位機的通訊。上位機將設定的開關量通過RS232電路傳給單片機，并保存在EEPROM中，傳感器輸出的壓力值經過混合信號調理電路放大以及歸一化后，單片機對其進行模數轉換，將轉換得到的結果與EEPROM中的值比較，根據結果所在的開關閡值范圍，打開相應的開關量。
上位機串口通訊程序實現開關量的設定功能。通訊過程中數據都是以宇符型進行傳輸，這樣就能避免控制宇符和數據的重復，使通訊更安全。上位機的程序是用Visual C ++提供的MFC編寫，MFC中的MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數據Csl，為應用程序提供串行通訊功能。
3總結
本文提出對稱結構的放大器結構具有較高的共模抑制比，能夠減小傳感器輸出的零點漂移，并可通過調零電阻對零點漂移進行一定的補償。而且輸出線性度良好，能夠很好地處理傳感器的弱信號。本文工作對高性能單片壓阻式壓力傳感器的設計具有重要的指導意義。
參考文獻
[1] 程維維.基于薄膜體聲波諧振器（FBAR）技術的無線傳感集成系統研究[D].浙江大學，2015.
壓力傳感器范文3
關鍵詞：擴散硅；惠斯通電橋；傳感器
根據壓力傳感器工作原理的不同，壓力傳感器常分為機械膜片電容型、硅膜片電容型、壓電型、應變型、霍爾效應、硅壓阻式壓力傳感器等，壓阻式壓力傳感器又有擴散硅型和應變片型傳感器之分，其中擴散硅壓力傳感器因其低成本、高可靠性而在壓阻式壓力傳感器中占據了越來越重要的位置。目前汽車用MEMS壓力傳感器就采用了壓阻式壓敏原理制成，因其靈敏度高、線性度好、穩定性好、結構簡單、容易實現批量生產、易于利用標準的IC（Integrated Circuit）工藝技術實現集成化等成為目前應用最廣泛的MEMS產品之一。
一、硅的壓阻效應
硅半導體的壓阻效應是指材料在受到應力的作用時，其電阻或電阻率隨應變的變化而變化的現象。應變材料的應變與電阻變化之間的關系如下：
式子中π為材料的壓阻系數，E為材料的楊氏模量，ε為材料的應變率， v為材料的泊松比。由此可見，硅半導體阻值變化的原因有兩方面：其一是由幾何尺寸變化而引起的；其二是由載流子運動狀態的改變而引起的。
實驗對比發現，硅半導體載流子運動狀態的變化而引起其電阻值的改變要遠大于因其本身幾何尺寸的變化所引起其電阻值的改變，在數值級上一般要多出2個數量級。所以在公式中G值的大小主要是由πE決定。其原因是半導體材料硅在單向應力作用下，一方面會發生縱向尺寸的變化，另一方面還會引起橫向尺寸的變化，這將使晶體的平衡性發生改變，從而使其能帶結構也發生改變，造成電子在能谷間發生轉移，導致半導體材料硅的電阻率也發生改變。對于單晶硅等半導體材料而言，在單向應力作用下，其能帶的改變特別顯著，這就引起沿其晶體在某一方向上產生特別明顯的壓阻效應。
二、壓力傳感器的信號輸出
通常壓力傳感器的信號輸出采用惠斯通電橋結構的電路，為了提高滿量程輸出、減小零點的溫度漂移和提高線性度，我們采用靈敏度最高的惠斯通全橋電路，如下圖所示。
在沒有施加壓力的時候，由于R1、R2、R3、R4制作工藝相同，四個電阻條的阻值基本相同，溫度對它們的影響基本一樣，我們設定為R，此時惠斯通電橋的輸出電壓為零。當有外界均布載荷P作用于傳感器膜片上面時，膜片發生變形，每個電阻都會發生變化，其中于R1和R2減小，R3和R4增加。此時惠斯通電橋狀態被破壞，傳感器的輸出電壓不再為零，等于B、D兩點之間的電位差。
其中Uo為輸出電壓，Ui為輸入電壓。
三、壓力傳感器的接口電路
利用壓力傳感器對壓力的感應特性，將壓力信號轉換為模擬的電壓信號輸出，此時的電壓信號很小，必須經過放大器把信號放大，然后由A/D轉換器轉換為數字信號，再通過單片機對數字量進行處理，計算出實際的壓力值，并通過液晶屏顯示。整個電路的設計主要包括4大部分：電橋信號電路、信號放大電路、A/D轉換電路和LCD顯示電路。
其中U0為輸出電壓，Ui為輸入電壓。
四、電橋放大電路
眾所周知，利用硅的壓阻效應所輸出的電壓信號較弱，所以我們對其輸出的電壓信號先經過放大電路INA118對其進行放大處理，然后才能通過A/D 轉換處理，得到一組數字信號。我們采用INA118放大電路對其信號進行放大處理，INA118放大電路是由3個運算放大器構成差分放大電路，為了提高其可靠性，我們對其內置輸入進行過壓保護，且可使用外置大小不等的電阻實現多種增益（從1到1000），因而擴大其應用范圍。
我們在電路圖中，通過對腳1和腳8之間外接一電阻Rg，可以實現不同的增益量，該增益量的控制范圍可從1～1000，極大提高了其應用范圍。電阻Rg 為式中G的增益。但由于Rg的穩定性和溫度漂移等特性都會對其增益產生不同的影響，因此我們為了需要獲得高精度增益，在實際應用中對Rg的穩定性等方面的性能要求也比較高，比如我們可以采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻，來降低其不利的影響。此外，高增益的電路設計中的Rg 值較小，如G=100時的Rg 值為1.02 kΩ；G=1000時的Rg值為50.5Ω。
五、A/D7715接口電路
為實現對壓力實時變化的連續監測，我們在設計中采用16位的A/D7715對輸出電壓進行采樣測量。A/D接口電路如下圖所示。
其中A/D780提供2.5V高精度基準電壓信號。P3.1腳提供A/D工作所需的時鐘，P1.4和P1.5腳接收和發送通訊數據，P1.6是片選信號，P1.7接DRDY，AT89S52可以通過查詢P1.7的狀態來判斷是否可以讀取A/D轉換結果。
六、單片機接口電路
我們在設計單片機接口電路中采用AT89S52單片機接口電路。由于AT89S52是一個CMOS8位單片機，其主要的優點是低功耗、高性能，并且可兼容標準MCS-51指令系統，以及采用80C51引腳結構。在單片機接口電路中得到廣泛的應用。其單片機接口電路如下圖所示。
我們設計使用的復位電路主要由22μF的電容，1 kΩ的電阻及IN4148二極管組成。這種復位電路不但可滿足單片機可靠復位，而且具有降低復位引腳對地阻抗，增強單片機復位電路的抗干擾能力等優點，基本可以滿足我們設計需求。電路中二極管的作用是可實現快速釋放電容電量的功能，并且能夠滿足短時間復位的要求。其輸入信號為經7715A/D轉換的模擬電壓信號，單片機可對其進行計算處理后輸入到LCD1602 液晶顯示，顯示出相應的壓力值，直觀明了。
七、整體系統的軟件設計
1.系統主程序流程圖
我們對系統提供電源電壓后，首先主程序可完成對系統初始化程序，初始化程序包括A/D轉換器、串行口、中斷等工作狀態的設定，給系統各變量賦予初值，顯示上次設定值等內容，并執行相應的功能子程序優化。當按下啟動鍵后，系統將根據其初始化設定值、校正值等參數來計算對應的數字量，并實現自動輸出功能。
2.系統的模數轉換程序
模數轉換程序首先對AD7715芯片進行初始化程序，把相應的程序代碼寫入內部寄存器，這樣才能讀寫其他寄存器的信息。一般AD7715的寄存器是8位寄存器，只有在一些特殊的場合才使用16位寄存器，比如零點校準寄存器、數據寄存器和滿量程校準寄存器等。系統程序分別寫入數據信息，并判斷DRDY是否為零，如果為零則讀出寄存器數據，如果不為零則再次寫寄存器。
3.系統的1602 顯示程序
系統的1602采用的顯示程序為定時中斷0來實現逐位的動態顯示，這樣不但不用擔心定時刷新顯示等問題，而且可使LCD 輸出信號更加穩定，所以此顯示子程序具有簡單靈活、適用性廣等優點。LCD1602的數據引腳與控制引腳與單片機的I/O口直接相連，DB0～DB7分別連接單片機的P1.0～P1.7口，這樣可使數據并行傳輸速度加快，而Vo亮度調節引腳則直接接地，顯示最亮狀態。
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關鍵詞：拖線陣，壓力傳感器
1.引言
壓力傳感器種類繁多，廣泛應用于各個行業，常用的壓力傳感器感知探頭上的壓力變化，通過電路轉換并引入相關補償，將力信號轉化為電信號，從而測得所在位置處的外界壓力。
拖線陣是一種拖曳在艦艇遠后方水域、可變深的大孔徑線狀聲納，通常比重與海水相當。拖線陣內部布置有各種聲學和非聲學傳感器，以及相應的采集傳輸系統和電源系統。一般拖線陣內需要布置若干個壓力傳感器來獲取拖線陣在水中運動時的深度信息。拖線陣內部需要填充液體或固體介質，以便使拖線陣保持一定形狀并滿足密度要求。
2.壓力傳感器的傳統封裝方式
在拖線陣中，傳統的封裝方式是將壓力傳感器浸沒于護套內的填充介質中。拖線陣外界壓力作用在護套上，通過介質傳遞到壓力傳感器探頭，來測量拖線陣外部壓力并轉換為深度。
P= P0+Pm(1)
其中——
P：壓力傳感器探頭測得的壓力值；
P0：拖線陣外界的真實壓力；
Pm：拖線陣護套、介質等因素產生的壓力變化。
對于內部填充液體介質的拖線陣而言，液體可以視為不可壓縮，壓力可以在其內部傳播，Pm主要受護套材料、初始充油壓力影響。在拖線陣中制作過程中為了使護套外觀更接近于圓形，或為了滿足密度設計要求，會存在一個初始油壓Pm（0.1~0.4MPa），由于聚氨酯護套會在一定溫度和受力狀態下發生蠕變，因此Pm是一個變化量，需要經常性地對傳感器輸出進行測量，扣除Pm的影響，來使得P接近P0。。
為了測量傳統方式下對Pm壓力傳感器輸出的影響，制作了一條試驗陣，內部按照傳統方式布置了一個壓力傳感器，然后靜置在空氣中。。該壓力傳感器輸出如圖1所示，可以看到在長時間存放過程中，由于護套發生蠕變、膨脹，護套內部填充介質壓力下降，導致壓力傳感器的輸出值顯著減小。拖線陣實際使用過程中，會受到軸向拉伸和徑向壓力，再加上高溫等因素影響，Pm變化更加明顯，需要經常性測量該輸出值，來對傳感器輸出公式進行修正，非常不便。
圖1 傳統方式傳感器輸出隨時間變化
對于固體陣而言，如果將傳感器探頭浸沒于固體填充材料中，由于固體填充材料自身具有一定的彈性模量，會影響外界壓力向傳感器探頭的準確傳遞，此時傳感器測得的壓力值和變化均與外界環境真實情況有較大差異。
由此可見，傳統的壓力傳感器封裝方式在液體拖線陣中由于護套蠕變等影響，需要定期校準，在固體拖線陣中則難以測得真實值，這些都影響了它的實際應用。。
本文提出一種新的壓力傳感器封裝方式，可以準確測量拖線陣所在位置的壓力，從而得到真實深度。
3.壓力傳感器新的封裝方式
按照前文分析，導致壓力傳感器傳統封裝方式不能精確測量外界壓力的根本原因在于，壓力傳感器探頭未能與外界環境直接接觸，中間存在的若干環節阻礙了壓力的真實傳遞。針對這一根本原因，新的封裝方式采用傳感器探頭直接與外界接觸，可以準確測量外界壓力。
新的封裝方式如圖2所示，在不改變現有傳感器型號的前提下，使傳感器探頭直接與外界介質接觸，同時解決了由此帶來的密封問題。
圖2 新封裝方式示意圖
同樣制作了一條試驗陣，在新的封裝方式下，壓力傳感器在空氣中的輸出如圖3所示，由于不再受到內部填充介質的影響，壓力傳感器的輸出穩定，其輸出可以真實反映外界介質壓力。為了驗證新的封裝方法的密封可靠性，進行了靜態加壓試驗，最大壓力達到3MPa，如圖4所示。
圖3 新方式傳感器輸出隨時間變化
圖4 新方式靜態壓力試驗
在動態拖曳過程中，護套外流體邊界層的動態壓力變化也會被傳感器感知，由于新的封裝方式需要在光滑護套上加裝兩道金屬圓環，并在護套上開孔，會影響護套表面的壓力分布，因此需要在動態拖曳試驗中對此影響進行評估。將兩個同型號的傳感器布置在同一條拖線陣中，分別采用傳統封裝方式和新封裝方式，以便在相同狀態下進行對比。
圖4和圖5分別是9m/s速度下傳統方式封裝方式和新封裝方式的的測量結果，可以看到新的封裝方式由于護套不光順引起的壓力變化（波動幅值）并不明顯（傳統方式輸出均值較小是因為沒有對其進行校準）。
圖4 傳統封裝方式動態拖曳數據
圖5 新封裝方式動態拖曳數據
4.結論
壓力傳感器對于水下運動的拖線陣而言非常重要，是操作人員了解拖線陣工作深度的重要途徑，其數值直接參與信號處理，傳感器數出值是否真實有效直接影響聲納性能。本文提出了拖線陣中壓力傳感器的一種新的封裝方式，并得到了以下結論：
（1）傳統封裝方式下，在液體拖線陣中由于護套發生蠕變，需要經常對傳感器輸出進行校準來使輸出接近真實值；在固體拖線陣中，由于填充材料自身彈性模量的影響，傳感器的輸出值與真實情況會有較大差異。而新的封裝方式將傳感器探頭直接與外界介質接觸，從根源上避免了傳統封裝方式的缺點。
（2）新的封裝方式需要使傳感器探頭直接與外界介質接觸，會帶來密封問題，本文提出的方法對此進行了有效解決，并在靜態壓力試驗中進行了驗證。
（3）動態拖曳試驗中，表面金屬圓環及開孔的存在并沒有明顯影響壓力傳感器輸出，本文提出的新方法在動態拖曳中也可以滿足使用要求。
新的封裝方式克服了傳統方式的弊病，能夠真實反映外界介質的壓力變化，不再需要經常性的校準，密封性能可靠，滿足動態拖曳的需要，可以代替傳統封裝方式應用到拖線陣中。
壓力傳感器范文5
【關鍵詞】電容式壓力傳感器；誤差；干擾
0.概述
我們所處的時代是信息時代，信息的獲取、檢測要靠傳感器和傳感技術來實現。傳感器越來越廣泛地應用于航空、常規武器、船舶、交通運輸、冶金、機械制造、化工等技術領域。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。壓力傳感器是目前所有傳感器種類來說，是使用最多的傳感器，它的市場占有量也不不可估量的，那么它的各項技術也得根據市場需要，進行不斷的改進和完善，以適應各個領域越來越苛刻的環境。
1.電容式壓力傳感器工作原理及其數學模型
1.1結構介紹
電容式壓力傳感器主要由一個膜式動電極和兩個在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成差動電容器即敏感元件。敏感元件是由隔離膜片、電容固定極板、測量膜片、灌充液組成，以測量膜片為中心線軸對稱，測量膜片與兩側的金屬模構成一對相等的平行板電容。如圖1所示。
圖1 敏感元件結構圖
1.2工作原理
當被側壓力或壓力差作用于膜片并產生位移時，形成的兩個電容器的電量一個增大、一個減小。該電容值的變化經測量電路轉換成與壓力差相對應的電流或電壓的變化。
圖2 電容式壓力傳感器工作原理圖
1.3壓力—電容轉換
如圖3所示，被測壓力通過高壓側隔離膜片，加到灌充液，液體流過瓷心孔進入腔室，將壓力加到測量膜片上，膜片受力后發生位移，測量膜面與兩側構成的電容值隨之變化，低壓側電容增加，高壓側電容減少。
圖3 平行板電容器
厚膜片位移與差壓轉換關系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系數；R：膜片周邊半徑；d：膜片中心處位移
t：膜片厚度；P：被測差壓；E：膜片材料的楊氏彈性恒量
薄膜片具有初始張緊，其位移與差壓轉換公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差壓作用于室時，中心膜片的位移 與差壓成正比。
1.4位移—電容轉換
由于固定極板凹面直徑很大，可視為平行板電容器，平行板電容C=。
ε為平行板中間介質的介電常數；
A平行板電容的面積；
d平行板電容兩端間距。
PH：高壓室所受壓力；PL：高壓室所受壓力。
當兩邊壓力相等時即PH=PL，初始電容量C=C=K
當PH>PL，測量膜片位移為d，此時低壓側的電容為C=K（d0-d），高壓側電容為CH=K（d0+d），取=
d·K2=
（公式3）
由公式2、公式3可知P·K·K=
（公式4）
改變結構系數K1即可實現不同量程的測量，將位移量轉換成
的變化。
1.5電容比—電流的轉換
解調器將流過CL、CH的交流電流解調成直流電流IL、IH，原理圖如圖4
圖4
2.電容式壓力傳感器的性能
2.1靜態特性
當被測量X不隨時間變化，或隨時間的變化程度遠緩慢與傳感器固有的最低階運動模式的變化程度時，傳感器的輸出量Y與輸入量X之間的函數關系。因為這時輸入量與輸出量都和時間無關，所以他們之間的關系即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以輸入量做橫坐標把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。
2.2動態特性
當被測量X隨時間變化，而且隨時間的變化程度與傳感器固有的最低階運動模式的變化程度相比不是緩慢的變化程度時，傳感器的輸出量y與輸入量X之間的函數關系。
在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。
3.影響電容式壓力傳感器精度的因素
電容式壓力傳感器直接接觸或接近被測對象而獲取信息，與被測對象同時都處于擾的環境中，不可避免地受到外界的干擾。壓力傳感器如果說它的抗干擾能力不過硬，那么在它的價值上，也是個相差很大的，因為的應用范圍受了很大的限制，所以市場前景也是得不到擴大的，提高抗體干擾性是不容忽視的問題。
3.1溫度影響
由于電容式傳感器極間隙很小而對結構尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線性膨脹系數不匹配的情況下，溫度變化將導致極間隙較大的相對變化，從而產生很大的溫度誤差。為減小這種誤差，應盡量選取溫度系數小和溫度系數穩定的材料，如電極的支架選用陶瓷材料，電極材料選用鐵鎳合金。近年來又采用在陶瓷或石英上進行噴鍍金或銀的工藝。化工冶金鍋爐等高溫環境下的壓力測試還可以通過改善敏感元件電容器的物理特性改變傳感器的尺寸進一步提高傳感器的工作范圍靈敏度等。
3.2靜壓影響
金屬電容兩邊受壓，壓力經隔離膜片傳遞到內部中心膜片上。從圖5可以看出傳感器內部的壓力從中心向四周方向分布，X方向的應力得到全部抵消，但是Y方向的應力q全部加在傳感器的外殼上。由于結構尺寸的原因，越靠近中心結構越單薄，傳感器的抗壓能力越差，尤其是中心膜片處結構強度最為薄弱。在高靜壓下，中心點處產生一個最大的擾度。在高靜壓下中心膜片向外的張緊力增加，膜片的緊繃程度相對工作靜壓為零時得到加強，并且工作靜壓越大其緊繃程度越大，中心膜片隨差壓的位移變小，產生誤差。并且靜壓影響絕對誤差，工作靜壓越大其量程的靜壓誤差越大。至于零位的靜壓誤差，則表現為方向的不確定，這主要由焊接應力和傳感器的個性相關，不具有規律性。通過提高制造加工精度來減小靜壓誤差。
圖5 應力分布和擾度變化圖
3.3邊緣效應的影響
邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產生非線性。為了消除邊緣效應的影響，可以采用帶有保護環的結構。保護環與定極板同心、電氣上絕緣且間隙越小越好，同時始終保持等電位，以保證中間各種區得到均勻的場強分布，從而克服邊緣效應影響。為減小極板厚度，往往不用整塊金屬板做極板，而用石英或陶瓷等非金屬材料，蒸涂一層金屬膜作為極板。
3.4寄生電容的影響
電容式壓力傳感器測量系統寄生參數的影響，主要是指傳感器電容極板并聯的寄生電容的影響。由于電容傳感器電容量很小，寄生電容就要相對大得多，往往使傳感器不能正常使用。消除和減小寄生電容影響可縮小傳感器至測量線路前置極的距離將集成電流的發展、超小型電容器應用于測量電路?？墒沟貌糠植考c傳感器做成一體，這既減小了寄生電容值，又使寄生電容值也固定不變了。 [科]
【參考文獻】
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壓力傳感器范文6
關鍵詞： 壓力傳感器； 零點溫漂； 溫度補償； 輸出
中圖分類號： TN919?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0105?03
Implementation of pressure sensor software for high accuracy temperature compensation
WANG Jun?jie， QIN Hui?bin
（Institute of Electronic Device and Application， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）
Abstract： In order to overcome the shortcomings of traditional hardware circuits for the pressure sensor temperature compensation， the basic method using single chip processor for pressure sensor temperature compensation is introduced. The method to implement temperature compensation by software is discussed. The principle of software algorithm for high?accuracy temperature compensation is expatiated， which provides a theoretical basis for temperature compensation by software. The experiment results prove that the sensor output accuracy has been significantly improved by the high?accuracy temperature compensation algorithm.
Keywords： pressure sensor； zero drift； temperature compensation； output
0 引 言
壓力傳感器是一種常用的傳感元件，由于其自身的非線性與使用時受到外界測量條件的影響，使得壓力傳感器在輸出時大都出現了非線性的特征，故存在多種因素的誤差。然而，在這些誤差因素中以溫度的影響最為明顯，所以對傳感器的溫度誤差補償尤為重要[1?3]。采用硬件補償的措施實現溫度誤差補償是極為繁瑣與困難的，但是通過引入軟件來實現補償是一種比較有效的途徑[4?5]。只要采用足夠精確的溫度誤差補償模型就可以得到滿意的結果，同時希望采用的算法簡單、高效以避免如BP神經網絡溫度補償算法的復雜與耗時的特點[6]。
1 傳統的硬件補償方式及其缺點
傳統的硬件溫度誤差補償解決方法是通過在惠斯特電橋電路中的一個或兩個橋臂上并聯熱敏電阻Rt，如圖1所示[7]。但是由于熱敏電阻自身的特性，不可能做到完全的溫度誤差補償[8?9]。此外，通過硬件電路來實現溫度誤差補償存在器件固有的不穩定性、調試困難、通用性差、成本高、精度低等缺點，不利于工程實際應用。所以，本文介紹結合單片機實現自動檢測和實時控制的高精度溫度誤差補償的軟件實現。
圖1 并聯熱敏電阻溫度誤差補償方式
2 溫度補償的原理
在單片機傳感器測量系統中，要解決傳感器溫度誤差補償的問題，必須要測出傳感器所在點的溫度，因此需要溫度傳感器。溫度傳感器通常是安裝在傳感器內靠近敏感元件的地方。首先通過A/D采樣電路采集溫度傳感器在此溫度時對應輸出的電壓信號（記為Ut）后傳送到單片機中暫存；然后通過A/D采樣電路采集經過放大電路放大后的傳感器輸出信號（記為Uo）并傳送到單片機；最后啟動溫度誤差補償程序，通過Ut找到事先已經記錄在單片機中的零點溫漂電壓Uc，則最后的輸出電壓為：
[Ue=Uo-Uc] （1）
具體的原理框圖如圖2所示[10?11]。
圖2 帶軟件溫度補償功能的單片機
傳感器測量系統原理框圖
3 溫度補償的數學模型建立
3.1 線性溫度補償數學模型
在對溫度誤差進行補償的時候，必須事先在給定的n個溫度值（T1，T2，…，Tn）上測出溫度傳感器輸出的每個溫度值對應的電壓信號（Ut1，Ut2，…，Utn），然后測出每個溫度點上傳感器輸出信號經過放大電路放大后對應的溫漂電壓（Uc1，Uc2，…，Ucn），為了保證數據的精確性，可以在恒溫箱中進行測量。將（Ut1，Ut2，…，Utn）與（Uc1，Uc2，…，Ucn）制作成一張表，放入單片機內存中，然后建立溫度傳感器輸出的溫度值對應的電壓信號與溫漂電壓信號的數學模型，其特性曲線Uc=F（Ut）如圖3所示。我們可以將圖3所示的曲線分成n段，將相鄰兩個點之間的曲線近似看作為直線，這樣就可以利用線性方法求出溫度傳感器輸出的某個溫度值對應的電壓信號Ut所對應的溫漂電壓Uc，這就是線性插值法。假設測得溫度傳感器輸出的溫度值對應的電壓信號Ut為（Ut1，Ut2，…，Utn）中的某一個值，則對應的溫漂電壓Uc為其相對應的（Uc1，Uc2，…，Ucn）中的某一個值；假設測得溫度傳感器輸出的溫度值對應的電壓信號Ut在（Uti，Ut（i+1））之間，則其對應的溫漂電壓Uc可由式（2）求得：
[Uc=Uci+（Ut-Uti）Uc（i+1）-UciUt（i+1）-Uti， 1≤i≤n-1] （2）
從式（2）可以得知n取得足夠大就可以獲得良好的精度，這樣單片機就可以通過測得的溫度對應的電壓信號得到對應的零點溫漂電壓。
圖3 溫度傳感器輸出的電壓與溫漂電壓的特性曲線
3.2 非線性溫度補償數學模型
若溫度傳感器輸出的溫度值對應的電壓信號與溫漂電壓信號特性曲線變化很大，采用的線性插值法會造成比較大的誤差。故可以采用二次曲線插值法，如圖4所示。通過曲線上的3個點K1（Ut1，Uc1），K2（Ut2，Uc2），K3（Ut3，Uc3）形成一段拋物線，但是傳統的一元二次拋物線方程為Uc=AUt2+BUt+C，這種方式為了求出A、B、C的值需要聯立方程組，計算復雜導致程序也比較復雜。采用下面這種方程形式：
[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+B（Ut-Ut1）+C] （3）
式中：A，B，C的值很容易根據K1，K2，K3三點求出。當Ut=Ut1，Uc=Uc1時，可知C=Uc1，又根據Ut=Ut2，Uc=Uc2時，可知：
[B=Uc2-Uc1Ut2-Ut1] （4）
將C和B代入方程式（3）中得到方程式的另一種形式：
[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+Uc2-Uc1Ut2-Ut1（Ut-Ut1）+Uc1] （5）
將Ut=Ut3，Uc=Uc3代入方程式（4）得：
[A=Uc3-Uc1Ut3-Ut1-Uc2-Uc1Ut2-Ut1Ut3-Ut2] （6）
由此可見：可以利用3個已知的點K1，K2，K3求出A，B，C的數值，然后放入單片機的內存中，根據Ut的值可以求出相對應的Uc的值。以上便是對傳感器進行溫度誤差補償的數學模型，用這2個模型便可進行溫度誤差補償。
圖4 二次曲線插值法
4 溫度補償的軟件設計與實現
線性溫度補償與非線性溫度補償軟件設計流程圖如圖5和圖6所示。因為溫度是一個連續變化的模擬量，因此為了提高精度采集的溫度點越多精度就會越高?？梢圆捎梦粩递^多的A/D芯片以保證一般情況下的需要。結合單片機的軟件實現流程如圖7所示。這種軟件設計方式確保了無需手動設置就可以保證對溫度的變化做出及時的反應并且找到相應的零點溫漂電壓，從而確保單片機輸出的電壓是實時更新過的修正后的電壓值。
圖5 線性溫度補償流程圖
圖6 非線性溫度補償流程圖
5 測試結果
表1顯示了20 ℃和80 ℃時傳感器的零位輸出變化情況。從表1中可以看出經過軟件溫度補償后的零位輸出比未經過軟件溫度補償的零位輸出得到了顯著的改善。
表2是在25 ℃時對傳感器的測量結果，從表2中可以看出經過補償后的精度都在1%以下。
圖7 軟件執行流程圖
表1 傳感器補償前后的零位輸出變化
表2 傳感器補償前后的精度變化 %
6 結 語
為了滿足壓力傳感器在高精度場合的應用要求，本文結合單片機利用軟件來實現傳感器溫度誤差補償是一種非常簡便、有效的方法。這種方法可以大大降低測量系統的電路復雜度且節約成本，對于普通的使用者來說無需額外的操作便可以得到可靠的數值，適合對批量傳感器的補償，因此具有極為廣泛的應用前景。
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