【正文】 壓力傳感器 1 第一章 壓力傳感 器 壓力傳感器的概述 根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)對傳感器的定義，對于壓力傳感器，我們可以給出 定義：能夠感受規(guī)定的被測量（ 壓力信號 ） 并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或 裝置 。 壓力傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成。組成框圖如圖 11 所示。 圖 11 壓力傳感器組成框圖 壓力傳感器的類型 壓力傳感器通常的分類標(biāo)準(zhǔn)是按工作原理分類，分為：電容式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、智能式壓力傳感 器等。還有一種分類方式是按壓力傳感器所使用的材料分類：半導(dǎo)體壓力傳感器、光學(xué)壓力傳感器、金屬壓力傳感器、金屬 氧化物壓力傳感器等。 現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的一種壓力傳感器是壓阻式壓力傳感器。它是利用的原理時壓阻效應(yīng)，并采用微電子技術(shù)制成。這種壓力傳感器準(zhǔn)確度高、動態(tài)響應(yīng)好、靈敏度高、集成化程度高并易于微型化，因此得到廣泛的應(yīng)用，得到迅速發(fā)展，屬于新的物性型傳感器 。 壓力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本課題采用差壓式電容傳感器作為敏感元件。 電容式壓力傳感器 結(jié)構(gòu)簡單 ，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強(qiáng)，動態(tài)響 應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng) 等 ， 在惡劣的環(huán)境下對測量靜態(tài)或低頻變化的壓力有比較好的優(yōu)勢。 傳統(tǒng)壓力傳感器的局限性 傳統(tǒng)的壓力傳感器往往在性能和成本上不能兩全其美，為了提高性能，就要有居高不下的成本，因為制作材料必須品種多，性能高，制作過程要求非常嚴(yán)格，被測壓力 敏感 元件 轉(zhuǎn)換 元件 基本轉(zhuǎn) 換電路 電信號 壓力傳感器 2 寸偏大，但是時間相應(yīng)特性不高； 系統(tǒng)非線性導(dǎo)致隨時間漂移； 環(huán)境變化很容易影響到參數(shù)的變換； 器件信噪比不高，是傳感器容易受到噪聲的干擾致使結(jié)果不穩(wěn)定； 交叉靈敏度的存在導(dǎo)致傳感器的選擇性和分 辨率都不高。這些因素就造成了傳 統(tǒng)壓力傳感器可靠性差、精確度低、性能不穩(wěn)定等缺 點(diǎn)，也注定了傳統(tǒng)壓力傳感器必將被更高級的智能化壓力傳感器所取代 。 智能壓力傳感器 3 第二章 智能壓力傳感器 智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 智能傳感器主要是指利用集成電路工藝和微機(jī)械技術(shù)將敏感元件與功能強(qiáng)大的電子線路集成在同一芯片上，具有信號提取、信號處理、邏輯判斷、決策、自檢、自診斷和計算等功能。和經(jīng)典傳感器相比，智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、精度高以及功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，其中作為作為“ 大腦 ” 的微型計算機(jī)，可以是單片機(jī)，也可也是微型 計算機(jī)系統(tǒng)。 圖 21 智能壓力傳感器的結(jié)構(gòu)框圖 智能壓力傳感器的功能 ① 具有邏輯判斷、統(tǒng)計處理功能 ： 可對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計和修正，還可進(jìn)行線性、非線性、溫度、噪聲、響應(yīng)時間、交叉感應(yīng)以及緩慢漂移等的誤差補(bǔ)償，提高了測量準(zhǔn)確度。 ② 具有自診斷、自校準(zhǔn)功能 ： 可在接通電源時進(jìn)行開機(jī)自檢，可在工作中進(jìn)行運(yùn)行自檢，并可實(shí)時自行診斷測試以確定哪一組件有故障，提高了工作可靠性。 ③ 具有自適應(yīng)、自調(diào)整功能 ： 可 根據(jù)待測物理量的數(shù)值大小及變化情況自動選擇檢測量程和測量方式，提高了檢測適用性。 ④ 具有組態(tài)功能 ： 可實(shí)現(xiàn)多傳感器、多參數(shù)的復(fù)合測量，擴(kuò)大了檢測與使用范圍。 ⑤ 具有記憶、存儲功能 ： 可進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)的隨時存取，加快了信息的處理速度。 ⑥ 具有數(shù)據(jù)通訊功能 ： 智能化傳感器具有數(shù)據(jù)通訊接口，能與計算機(jī)直接聯(lián)機(jī)，相互交換信息，提高了信息處理的質(zhì)量。 被測 壓力 傳感器 預(yù)處理及接口 微型機(jī) 輸出接口 模擬信號數(shù)字化輸出接口 信息處理及校正軟件 顯示和記錄 D/A 轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路 智能壓力傳感器 4 智能壓力傳感器的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)傳感器相比，智能壓力傳感器的特點(diǎn)是： ①高的性能價格比： 由于智能壓力傳感器的種種優(yōu)點(diǎn)都是通過調(diào)試微處理器和計算機(jī)之間的配合達(dá)到的，所以在工藝 本身不會追求過多，可以采用廉價的集成電路、芯片加上調(diào)試軟件實(shí)現(xiàn)，從而性能價格比自然會高與傳統(tǒng)的壓力傳感器。 ②適應(yīng)能力強(qiáng)：系統(tǒng)在進(jìn)行分析、判斷和處理信號時，可以根據(jù)工作狀況決定各個部分的供電和上極位傳輸速率，能夠是系統(tǒng)功耗最低，傳送率最優(yōu)，并具有多種動能自動補(bǔ)償。 ③ 精度高 ： 智能壓力傳感器的自校準(zhǔn)、自選量程、自動補(bǔ)償和自動修正各類誤差等功能保證了它的高精確度，通過系統(tǒng)軟件達(dá)到這些功能，相比以前依靠硬件解決的方式來說方便和容易實(shí)現(xiàn)很多。 ④ 量程寬： 智能壓力傳感器的測量范圍很寬，具有很強(qiáng)的過載能力。 ⑤ 集中控制 ：由于微處理器控制整個系統(tǒng)，自身的控制和數(shù)字處理能力都很強(qiáng)大，所以智能壓力傳感器通過軟件程序充分利用微處理器，使系統(tǒng)的多種功能和優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，從而實(shí)現(xiàn)了集中的控制方式。 智能壓力傳感器的應(yīng)用與發(fā)展 智能壓力傳感器主要應(yīng)用于檢測流體或固體的壓力并進(jìn)行信號遠(yuǎn)距離傳輸。它是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，常常作為一種自動化控制的前端元件，因此其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，包括石油化工、造紙、水處理、電力、船舶、機(jī)床和公用設(shè)備等行業(yè)。 目前，傳感器的發(fā)展主要集中在集成化和智能化兩個方面。傳感器的集成化是指將 多個功能相同或不同的敏感器件制作在同一個芯片上構(gòu)成傳感器陣列。傳感器的智能化是將傳感器與信號處理電路和控制電路集成在同一芯片上。系統(tǒng)能夠通過電路進(jìn)行信號提取和信號處理，根據(jù)具體情況自主地對整個傳感器系統(tǒng)進(jìn)行自檢、自校準(zhǔn)和自診斷，并能根據(jù)待測物理量的大學(xué)及變化情況自動選擇量程和測量工作方式。 本次論文的主要工作是在現(xiàn)在研究基礎(chǔ)上，設(shè)計出具有體積小、成本低、壽命長、量程范圍大、反應(yīng)速度快、智能化程度高的智能壓力傳感器。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 傳感器 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本次課題將采用差動式電容傳感器作為系統(tǒng) 前端， A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0809 芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，微處理器采用單片機(jī) 89C52，顯示器采用LCD1602 進(jìn)行顯示， 本次課題總體設(shè)計方 框圖 如圖 31所示 圖 31 總體方案設(shè)計圖 系統(tǒng)的特點(diǎn) 本次課題設(shè)計的智能壓力傳感器 結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，采用特定的信號調(diào)理電路， 利用單片機(jī)和 A/ D、 D/ A 轉(zhuǎn)換器自動調(diào)節(jié)信號 Uc1 和 Uc2,采用負(fù)反饋技術(shù) ,實(shí)現(xiàn)了對偏差電容的自動補(bǔ)償 ,并且采用差動測量方式以消除寄生電容、熱零點(diǎn)漂移、共模干擾和 其它環(huán)境因素的影響 ,使電路具有很強(qiáng)的抗干擾能力。 具有自動報警功能，本次設(shè)計電路圖中加了一個發(fā)光二極管，若所施加壓力超出壓力傳感器的正常承受范圍，發(fā)光二極管將會自動點(diǎn)亮，以保護(hù)傳感器安全。報警系統(tǒng)用軟件實(shí)現(xiàn)。 信號 調(diào)理 電路 ADC0809 單片機(jī)89C52 LCD1602 被測壓力 模擬電壓信號 送顯示 差動式 傳感器 電容值 數(shù)字信號 硬件設(shè)計 6 第四章 硬件設(shè)計 本次課程設(shè)計的硬件共分為前端傳感器、信號調(diào)理電路、 A/D 轉(zhuǎn)換、微處理器和顯示部分這五個模塊組成，下面將一一對這五個模塊做出詳細(xì)的介紹。 前端 傳感器 模塊 從經(jīng)濟(jì)、測量精度、穩(wěn)定性以及對人體無害等因素，本課題采用陶瓷電容作為傳感器材料，且采用圓柱差動變面積式電容位移傳感器，如 圖 41所示。 圖 41 圓柱差動變面積式電容位移傳感器 圓柱電容的計算公式為： C =??????dln2DX?? . 其中， X為內(nèi)外電極重疊部分長度； D、 d分別為外電極內(nèi)徑與內(nèi)電極外徑。 當(dāng)重 疊部分長度 X發(fā)生變化時，電容的變化量為： C? = 0C C = XCDxdlnx2 ??????????? . 靈敏度為： K= ?????????dln2x DC ?? . 傳感器由兩組定片和一組動片組成。當(dāng)動片上、下改變位置時，與兩組定片之間重疊面積發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動電容。將上層定片與動片行形成 的電容記為 1C ，下層定片與動片形成的電容記為 2C 。 信號調(diào)理電路 模塊 硬件設(shè)計 7 測量差動電容變化量的電路原理圖如圖 42 所示。 圖 42 信號調(diào)理電路圖 電路的結(jié)構(gòu)對稱 ,兩邊都以相同的方式工作 ,只對其中的一邊進(jìn)行分析。一正弦電壓 Us 用于激勵電路 ,其頻率為 f (Hz) ,幅值為 A(V) 。被測傳感器電容器C1 的一個極板與電壓源相連 ,另一極板與電流檢測器 A1 的輸入端相連。電壓信號也作為乘法器 M 的一個輸入端 ,M 的另一個輸入端與控制信號 Uc1 相連 。乘法器的輸出電壓信號為 K1Us,系數(shù) K1 = Uc1/ 10。電流 Im 和 I1 之和被放大器 A1 轉(zhuǎn)換成電壓信號 UA1, 經(jīng)放大器 A2 后 , 輸出電壓信號 Uo1。 Us =Asinωt . 2111 R] / / 2 )t A s in (RfR C m )K [ ( C U o 1 ??? ??? 。 式中 C1 =C10 +ΔC1, C10為 C1的初始值 ,Δ C1為變化量。同理 , Uo2有類似的表達(dá)式。 Uo1和 Uo2同時輸入差動放大器 A3,其增益為 Hi,得到輸出電壓信號 Uo 為 Uo = Uo1 Uo2 (1) 假設(shè) C10 = C20,ΔC1 =ΔC2 =ΔC, K1 =K2,則式 (1) 可以簡化為 Uo= [2Hi RfΔCR1ωAsin(ωt +π/2) ]/ R2. 將 Uo 輸入相敏檢波器 PSD中 ,輸出直流電壓信號 Ud為 硬件設(shè)計 8 Ud = [8Hi R1RfωAΔC]/πR2 (2) 式中 ,系數(shù) 4/π可由相敏檢波器 PSD 對輸入信號的整流和放大作用得出。 由式 (2) 可見 , Ud 與被測電容的變化量Δ C成線性關(guān)系。因此 ,利用 AD轉(zhuǎn)換器將 Ud 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ,再經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ,即可實(shí)現(xiàn)對差動電容傳感器電容變化量的測量。 根據(jù)式 (2) 有下式 ARRH RVUARRH RC finD ACdfi ?????? 1212 828 ?? 式中 δ C 為最小可測電容變化量 。δ Ud為 Ud 測量分辨力 。VADC為 AD 轉(zhuǎn)換器的工作電壓范圍 。 n 為 AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。電容測量分辨力理論上主要取決于輸出電壓的測量分辨力?？梢酝ㄟ^提高輸出電壓的測量分辨力來提高電容的測量分辨力。所提出的測量電路可以實(shí)現(xiàn)對偏差電容的自動補(bǔ)償 ,原理如圖 43 所示。 圖 43 自動補(bǔ)償原理框圖 電壓信號 Uo1 和參考信號 Ur 分別為相敏檢波器 PSD1的兩個輸入 ,輸出信號Ud1 可以表示為 Ud1 = 4Hi Rf (C1 + K1Cm) R1ωA/πR2 =4Hi Rf (C10 +ΔC1 +Uc1 Cm/10) R1ωA/πR2. （ 3） 根據(jù)式 (3) ,有下式 U′d1(Uc1) = [2Hi Rf Cm R1ωA]/5πR2. 因此 ,利用信號 Uc1可以對電容器 C1的固定值 C10 進(jìn)行補(bǔ)償 ,則在理論上 , Ud1 移相器 90176。 相敏檢波器 A/D 轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) Us Ur Ud Uc1 硬件設(shè)計 9 可表示為 Ud1= [4 Hi Rf R1ωAΔC 1]/5πR 2. （ 4） 利用單片機(jī)控制 A/ D 和 D/ A 轉(zhuǎn)換單元對 Ud1進(jìn)行轉(zhuǎn)換 ,并通過負(fù)反饋的方式將信號 Uc1 加到乘法器 M的一個輸入端 ,便可實(shí)現(xiàn)對偏差電容的自動補(bǔ)償。 令 電壓 Us 的幅值 A =0. 5V, 頻率 f = Hz, Cm =100p F, Rf =47kΩ,