【正文】 構(gòu)工藝更易于實(shí)現(xiàn)。 擴(kuò)散硅壓力傳感器的發(fā)展趨勢(shì)1 小型化重量輕、體積小、分辨率高，便于安裝在很小的地方，也便于微型儀器儀表的配套使用。智能化產(chǎn)品的發(fā)展將成為未來(lái)傳感器市場(chǎng)的主流。 本課題所完成的任務(wù)對(duì)半導(dǎo)體擴(kuò)散硅壓力傳感器進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)和遴選適用的壓力敏感元件。通過(guò)采用專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集模塊與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)通信，對(duì)傳感檢測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)交換。電阻條阻值改變量 與相應(yīng)膜片壓力成正比。610???電阻變換器的輸出量為電阻值的相對(duì)變化量 。這樣在膜片的兩邊加上的差壓產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，它使膜片的一部分壓縮，另一部分拉伸，兩個(gè)應(yīng)變電阻片位于壓縮區(qū)，另兩個(gè)應(yīng)變電阻片位于拉伸區(qū)。不銹鋼波紋膜片殼體感受壓力并保護(hù)芯片，因而電阻式壓力傳感器能在有腐蝕性的介質(zhì)中感應(yīng)壓力信號(hào)?，F(xiàn)在大部分壓力傳感器用制造集成電路的方法，形成四個(gè)電阻值相等的電阻條，并將它們連接刻制成惠斯登電橋。壓阻式壓力傳感器會(huì)受到溫度的影響，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移，它來(lái)源于半導(dǎo)體物理性質(zhì)對(duì)溫度的敏感性。由于工藝上的原因，難于使四個(gè)橋臂電阻溫度系數(shù)完全相同，因此，不可避免的要產(chǎn)生零位漂移。當(dāng)溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)減小，反之則增大。在生產(chǎn)應(yīng)用中，直接或間接用作計(jì)量器具的傳感器所面臨的問(wèn)題是準(zhǔn)確度和可靠性問(wèn)題。擴(kuò)散硅壓力傳感器溫度漂移可分為以下三種：(1)零點(diǎn)熱漂移：由于組成測(cè)量電橋的各個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)不一致，致使不加壓時(shí)電橋輸出(零點(diǎn)輸出)失衡，并且這一狀態(tài)隨溫度變化而發(fā)生變化。（3）零位溫度漂移：零位隨溫度的變化而變化。由于這種補(bǔ)償方法是在電橋上完成的，我們將這類(lèi)方法稱(chēng)之為“橋內(nèi)補(bǔ)償法” 。且隨著13240R??溫度的變化而變化。SP串并聯(lián)電阻補(bǔ)償法中，補(bǔ)償電阻的接法很多，雖然以上的推理是根據(jù)圖11所示的電阻連接方式而來(lái)，但對(duì)于 、 其他連接方式，經(jīng)過(guò)上述同樣的簡(jiǎn)化和推理方法，可以推SRP理出同樣的公式，只是符號(hào)不同而已。溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變??；溫度降低時(shí)，壓阻系數(shù)變大，所以當(dāng)溫度升高時(shí)傳感器的靈敏度要降低，溫度降低時(shí)要升高，也就是說(shuō)傳感器的靈敏度溫度系數(shù)是負(fù)的。靈敏度溫度系數(shù)可用下式表示： ()21()TG???式中： 為 溫度下滿(mǎn)量程輸出；2TG為 溫度下滿(mǎn)量程輸出；1表示溫度變化1℃ 時(shí)滿(mǎn)量程輸出的相對(duì)變化量。因?yàn)闃驂荷?，電橋的輸出電壓增大，若其增大的?shù)值與靈敏度下降而引起的輸出電壓減小的數(shù)值相等時(shí)，即達(dá)到了靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?C???/3上式對(duì)溫度求導(dǎo)，并另 ，由()和()式得出：??T （））（ TSTSR????0熱敏電阻溫度系數(shù)具有分散性，為了選擇合適的網(wǎng)絡(luò)電阻，需要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和修正。這一變化可用零位溫度系數(shù) 反映出來(lái)。但無(wú)論何種影響，最后都通過(guò)橋臂力敏電阻的阻值變化反映出來(lái)。于是1? ()1210()()4inPOPOUUTRT?????將補(bǔ)償電阻接入適當(dāng)?shù)臉虮郏顾a(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓 去抵消 ，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)?POPOU?目的?？梢?jiàn)它是一種很好的溫度補(bǔ)償元件。而 的變化可采用零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ谙鄳?yīng)的橋臂上串入一個(gè)金TZ POU屬膜電阻即可解決。4 擴(kuò)散硅壓力變送器整體方案設(shè)計(jì)與計(jì)算 電源電路 傳感器供電電路壓阻式傳感器可以用恒壓源供電,也可用恒流源供電,但恒壓源供電與恒流源供電相比,其中: 為被測(cè)量的壓力所轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào),假設(shè)四個(gè)擴(kuò)散電阻的起始V阻值都相等且為R,當(dāng)有應(yīng)力時(shí),兩個(gè)電阻阻值增加,增量為 ,另兩個(gè)電阻阻值減小,減小R?量為 ,由于溫度影響,使每個(gè)電阻值都有 的變化量。VTR?當(dāng)壓力傳感器測(cè)量電路使用恒流源I供電時(shí),（2） ，其輸出信號(hào)為:恒流時(shí) 12U?? ()()TTIIRR????? （）2I?可以看出輸出電壓V與溫度無(wú)關(guān),這就消除了溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。 恒流源電路 （ ）12SETBIASI??其中， ()1RVI2RDVI??LM334的溫度系數(shù)為227μV/ ℃（包括偏置電流的） 。?12SETBIASI??12RDV?? ()?由上式可得： （?），則 ，所以 。???453347R??470R?此時(shí) 。送往傳感器的電流只是當(dāng)負(fù)載在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)保持恒定，當(dāng)外部短路或開(kāi)路時(shí)，電源模塊會(huì)自動(dòng)得到保護(hù)，而減小出現(xiàn)火花的可能性。 信號(hào)處理供電電路圖 所示為提高單元負(fù)載能力的單元電路。）和開(kāi)環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得 OP07 特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。 提高單元負(fù)載能力單元電路 信號(hào)處理電路儀器儀表信號(hào)的放大處理,實(shí)際上就是對(duì)來(lái)源于傳感器的微弱信號(hào)的放大處理,要求放大器增益高,性能穩(wěn)定,尤其是零點(diǎn)漂移、溫度漂移、增益、穩(wěn)定性等指標(biāo)要求較高,也就是要能對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)精密放大處理,滿(mǎn)足計(jì)量要求。運(yùn)放要能達(dá)到將幾十毫伏的微弱信號(hào)放大到有幾伏的輸出的能力,即要求放大器有幾百倍的放大能力。 LM124管腳接線(xiàn)圖 電路工作原理 由于壓阻式壓力傳感器的輸出電阻很大,這就要求放大器有更大的輸入電阻。圖 放大電路在第一級(jí)電路中， 、 分別加到A1和A2的同相端， 和兩個(gè) 組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，1U2 WR引入了深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩運(yùn)放AA2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有 12abU??（） 1212OabWWURR??（）故得 1212()WOUUR????（）根據(jù)式 2022()ORU??（）可得，第二級(jí)減法器放大電路 2211()WORUU???（）由此可見(jiàn)該電路對(duì)差模信號(hào)的增益為 ,對(duì)共模信號(hào)的增益為零，共模抑制WR?21比無(wú)窮大。并且應(yīng)嚴(yán)格挑選幾個(gè)外接電阻 、 、 、 。將運(yùn)算放大器 A1 和 A2 的增益設(shè)置為 21021??WR倍，而 A3 的增益就應(yīng)當(dāng)是 50 倍了。由運(yùn)算放大器和電阻、電容（不含電感）組成的濾波器稱(chēng)為 RC 有源濾波器。RC 低通濾波電路的頻率響應(yīng)在放大電路的高頻區(qū),影響頻率響應(yīng)的主要因素是管子的極間電容和接線(xiàn)電容等,它們?cè)陔娐分信c其他支路是并聯(lián)的,因此這些電容對(duì)高頻響應(yīng)的影響可用圖 所示的 RC 低通電路來(lái)模擬。使 輸 出 電 壓 紋 波 系 數(shù) 降 低 ， 波 形 變 得 比 較平 滑 。加上該濾波電路使得輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，把它改造成接近恒穩(wěn)的直流電。此外，在該電路中，還有一個(gè)部分，那就是減小電源波動(dòng)對(duì)電路輸出的影響，即電路中的 ,它可以抑制20R電源波動(dòng)帶來(lái)的影響。 19R20P （ ）KRU)1(2034??當(dāng) 調(diào)節(jié)到上端時(shí)， ，當(dāng)調(diào)節(jié)到下端時(shí)， 。同時(shí)還要從電流回路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電路供電。21R 電壓電流轉(zhuǎn)換圖通過(guò)V／I轉(zhuǎn)換級(jí)，使輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)4～20mA輸出。如果變送器自身耗電大于 4mA，那么將不可能輸出下限 4mA 值。并且電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線(xiàn)電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線(xiàn)上可以傳輸數(shù)百米。變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4～20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。這使得兩線(xiàn)制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能。因此在應(yīng)用中兩線(xiàn)制傳感器必然是首選。圖 硬件電路供電電源2．MCU 系統(tǒng)及設(shè)定電路設(shè)計(jì)圖 STC12C2052AD 單片機(jī)電路 MCU 小系統(tǒng)由集成度較高的 STC12C2052AD 單片機(jī)及其復(fù)位電路和設(shè)定電路組成 ,單片機(jī)采用內(nèi)部晶振，簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，降低了整機(jī)系統(tǒng)的功耗；STC12C2052AD是單時(shí)鐘／機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但采集速度快 8～12 倍，內(nèi)部集成 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A／D 轉(zhuǎn)換。在異步串口方式下，CH341提供串口發(fā)送使能、串口接收就緒等交互式的速率控制信號(hào)以及常用的MODEM 聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到USB 總線(xiàn)。和 是獨(dú)石或高頻瓷片電容， 容量為 4700pF 到 ，用于 CH341 內(nèi)部電源3C4 3C節(jié)點(diǎn)退耦， 容量為 ，用于外部電源退耦。5C建議在 RSTI 引腳與 VCC 之間跨接一個(gè)容量為 或者 的電容 延長(zhǎng)復(fù)位時(shí)間。這種通信接口可以十分方便地將許多設(shè)備組成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。RS485 為半雙工，在某一時(shí)刻，一個(gè)發(fā)送另一個(gè)接收。其容錯(cuò)和應(yīng)用層的協(xié)議，可以自己通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，比較靈活。RS485采 用 差 分 信 號(hào) 負(fù) 邏 輯 ， ＋ 2V～ ＋ 6V表 示 “0”， 6V～ 2V表 示 “1”。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)采集與通訊。1．主程序模塊主程序主要完成初始化，采集系統(tǒng)基準(zhǔn)校核，進(jìn)行STC12C2050AD端口識(shí)別和設(shè)置、讀取采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算和判斷．為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，設(shè)計(jì)了看門(mén)狗電路，根據(jù)調(diào)試，在STC12C2050AD采樣頻率設(shè)置為2 Hz時(shí)，故主程序每個(gè)循環(huán)都應(yīng)清看門(mén)狗一次。表 壓力變送器整機(jī)測(cè)量結(jié)果壓力值（kPa） 0 25 50 75 100輸出電流理論值（mA） 百分比% 上行程 下行程 回差 誤差 % % % % % 輸出電流實(shí)測(cè)值（mA） 最大誤差 %,壓力和輸出電流之間是非線(xiàn)性關(guān)系，它們之間存在一定的誤差。如圖 所示， 若二者之間的傾角為 ?，則當(dāng)測(cè)頭移動(dòng) 時(shí)，實(shí)際的間隙變化量為 。如果 ?1?? （ rad） ，則 的大小不2? 2?會(huì)超過(guò) d???4105.。由運(yùn)算電路的輸出電壓表達(dá)式可以看出，若信號(hào)源的幅值有一相對(duì)誤差 ，則它將使輸出調(diào)幅波的幅值產(chǎn)生一同樣大小的相對(duì)誤差，當(dāng)傳感器間SV5?隙變化 ?h時(shí)， 所產(chǎn)生的絕對(duì)測(cè)量誤差為 （）h??3??此壓力變送器的 約為 。在對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)親自動(dòng)手完成焊接以及調(diào)試等過(guò)程，我解決很多的實(shí)際問(wèn)題，學(xué)習(xí)到了很多實(shí)踐方面的知識(shí)。3．針對(duì)實(shí)際測(cè)量過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的各種干擾，對(duì)壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分辨率、精度進(jìn)行統(tǒng)一量化及非線(xiàn)性數(shù)據(jù)補(bǔ)償。5．信號(hào)處理電路采用 LM124 集成運(yùn)算放大器，它是高增益的，帶內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)模斎肫秒娏魇菧囟妊a(bǔ)償?shù)那覇挝辉鲆鎺捠菧囟妊a(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器,它既可以單電源使用,也可以雙電源使用。9．最終完成了一臺(tái)可用于遠(yuǎn)距離測(cè)量的擴(kuò)散硅壓力傳感變送器。7．對(duì)調(diào)零和調(diào)滿(mǎn)電路等其他的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的討論和可行性的論證。 4．對(duì)傳感器和信號(hào)處理電路的供電采用 LM334 恒流源，使得當(dāng)傳感器橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)，供電電源仍保持恒定的電流供電。本課題中我完成的工作如下：1．首先了解了壓力傳感器的機(jī)械原理和工作原理。因此，壓力變送器總的測(cè)量誤差為系統(tǒng)誤差+ 隨機(jī)誤差。.SF SF./??3. 信號(hào)源信號(hào)幅值不穩(wěn)定產(chǎn)生的測(cè)量誤差 3?這是一項(xiàng)隨機(jī)誤差。但由于標(biāo)定儀器及實(shí)際測(cè)量時(shí)的 具有隨機(jī)性， 故通常把它按隨機(jī)誤差來(lái)處理。具體分析如下：1. 溫度漂移產(chǎn)生的誤差 1?這是一項(xiàng)以復(fù)雜規(guī)律變化的變值系統(tǒng)誤差，由于其規(guī)律不易掌握，按照一般的經(jīng)驗(yàn)，通常把它視為隨機(jī)誤差來(lái)處理。在此課題的實(shí)際測(cè)量中，將電源接到 B 側(cè)的接線(xiàn)端子上，并將萬(wàn)用表串聯(lián)進(jìn)去，不斷增加壓力，萬(wàn)用表上顯示的電流也逐漸增加。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)STC12C2050AD的操作，每一次與STC12C2050AD的通訊都應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置控制寄存器、通訊寄存器等。 在 RS485通 信 網(wǎng) 絡(luò) 中 一 般 采 用 的 是 主 從 通 信 方 式 ， 即 一 個(gè) 主 機(jī) 帶多 個(gè) 從 機(jī) 。TNOW 用于控制 RS485 總線(xiàn)半雙工收發(fā)器 U3 的收發(fā)狀態(tài)。RS485只規(guī)定了平衡驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性而沒(méi)有規(guī)定接插件傳輸電纜和應(yīng)用層通信協(xié)議，使用時(shí)傳輸?shù)木嚯x短，數(shù)據(jù)的容錯(cuò)沒(méi)有考慮。圖 USB 轉(zhuǎn) RS485 總線(xiàn)