【正文】 整個過程傳感器的三分之一，而且其比例還在繼續(xù)加大，以此為基礎的壓力類測量及變送儀表也在過程控制系統(tǒng)中占有很高的比例。在此期間美國Rosemount公司推出了HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer，尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)線)，德國Bosch公司推出CAN BUS協(xié)議。90年代后，我國將傳感器的研究放在重要位置上并取得了顯著成果，1996年，河北工業(yè)大學研制了WPS1型智能壓力傳感器，它可長期穩(wěn)定地工作在環(huán)境溫度變化較為頻繁的場所；1997年，西安交通大學電子信息工程學院綜合自動化研究所為三峽工程研制了體積小于國內電流、電壓輸出型固態(tài)壓力傳感器，并且有防水、防塵和抗震能力的智能壓力傳感器；1999年，哈爾濱工業(yè)大學微電子教研室研制了在壓力傳感器芯片上集成溫度敏感元件制成的壓力溫度多功能傳感器，并賦予智能化，可實現(xiàn)大溫度范圍內的全量程壓力信號的溫度補償；2022年湖南長沙索普測控技術有限公司研制的納米壓力傳感器獲成功，產品整體性能超過美國超微傳感器，實現(xiàn)了傳感器在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性，提高了傳感器精度等級、溫度特性等各方面性能指標。主要是：品種不全,產量過低,工作溫度范圍較小,長期穩(wěn)定性與可靠性較差,集成度不高。硅膜片的一面是與被測壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。 壓阻式壓力傳感器的發(fā)展．Smith 首先發(fā)現(xiàn)，1956年貝爾實驗室研制出硅力敏電阻，此后壓阻傳感器開始問世。壓阻壓力傳感器是目前應用最廣泛的壓力傳感器之一，壓阻式壓力傳感器是利用半導體材料硅的壓阻效應制成的傳感器。早期的壓阻式壓力傳感器是利用半導體應變片制成的粘貼型壓阻傳感器，它的傳感器元件是用半導體材料體電阻制成的粘貼式應變片；20世紀70年代以后，壓阻式壓力傳感器發(fā)展成為在硅片的應變敏感部位擴散出阻值相同的條，在壓力作用于其上時，硅膜片產生應變，從而使電阻條變形輸出一個與壓力呈正比的線性化電壓信號，稱為擴散硅式壓力傳感器。壓阻系數(shù)隨擴散雜質濃度的增加而減小。在我國壓阻傳感技術的研制和生產已得到迅猛發(fā)展, 傳感技術早己滲透到工業(yè)生產，軍事國防，宇宙探測，海洋開發(fā)，環(huán)境保護，資源調查，醫(yī)學診斷，生物工程，文物保護，安全防范，家用電器等極其廣泛的領域。 壓 阻 式 傳 感 器 是 用 于 這 方 面 的 較 理 想 的 傳 感 器 。 在 尺 寸 縮 小 的 風 洞 模 型 試 驗 中 ， 壓 阻 式 傳 感 器 能 密 集安 裝 在 風 洞 進 口 處 和 發(fā) 動 機 進 氣 管 道 模 型 中 。 已 制 成 薄 到 10 微 米 的 擴 散 硅 膜 ,外 徑 僅 毫 米 的 注 射 針 型壓 阻 式 壓 力 傳 感 器 和 能 測 量 心 血 管 、 顱 內 、 尿 道 、 子 宮 和 眼 球 內 壓 力 的 傳 感 器 。 擴散硅壓力傳感器的特點擴散硅傳感器與其它類型的傳感器相比有許多優(yōu)點：靈敏度高 擴散硅敏感電阻的靈敏因子比金屬應變片高 50～80 倍，它的滿量程信號輸出在80～100mV 左右。由于硅材料的剛性好，形變小，因而傳感器的線性也非常好,因此綜合表態(tài)精度很高。制造過程采用了集成工藝，膜片的有效面積可以很小，配以剛性結構前置安裝特殊設計，使傳感器頻率響應很高，使用帶寬可達零頻至 100KHZ。加之它的低電壓、低電流、低功耗、低成本和本質安全防爆等特點，因此可替代諸多同類型﹑同功能的產品，具有最優(yōu)良的性能價格比。2 集成數(shù)字化利用現(xiàn)在的生產工藝和成熟的集成化技術，將感壓橋路、溫度補償電路和信號放大電路通過集成化平面工藝制作在同一芯片上,使得信號源產生一個能傳遞數(shù)字的信號。4 多功能系列化利用擴散硅技術在芯片上通過摻雜不同雜質,同時制成感溫元件和感壓元件是可能的。設計專用測量轉換電路模塊，并采用二線制工作模式技術，以提高傳感測量系統(tǒng)的遠傳能力及抗干擾能力。2 擴散硅壓力傳感變送器的原理測量壓力的方法有許多種，最常用的是把壓力轉換成材料的長度或高度變化來測量，即彈性元件。R?R? 壓阻式壓力傳感器組成框圖 壓阻式壓力傳感器的機械原理壓阻式傳感器是將輸入的機械量應變 轉換為電阻值變化的變化元件。電阻變換器有金屬電阻變換器和/R?半導體電阻變換器兩種類型。在電氣性能上，他們連接成一個全動態(tài)惠斯登電橋，以增大輸出信號。電阻式壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中?；菟沟请姌虿捎煤懔鞴╇姡@樣電橋的輸出不受溫度的影響，惠斯登電橋檢測出電阻值的變化，經過差分歸一化放大器，輸出放大器放大后，再經過電壓電流的轉換，變換成相應的電流信號，該電流信號通過非線性校正環(huán)路的補償，即產生了與輸入電壓成線性對應關系的4～20mA 的標準輸出信號。零位漂移是因為擴散電阻阻值隨溫度改變而發(fā)生變化。所以，適當提高表面雜質濃度，可以減小溫度系數(shù)，進而減小零位漂移。所以，當溫度升高時，傳感器靈敏度降低。傳感器有時會因精度、長期穩(wěn)定性以及熱漂移問題而受到應用限制。造成零點輸出失衡及零點熱漂移的主要原因集中在工藝上，如加工尺寸，摻雜濃度及均勻性，摻雜層厚度等。 零點溫度漂移及其補償 零點溫度漂移產生的原因理想的情況下，組成惠斯通電橋的四個擴散電阻的阻值應該是相等的，因而在電橋處于平衡狀態(tài)時，電橋的輸出電壓應該為零?，F(xiàn)以如圖 所示的恒流源供電電路為例進行分析。因而可以在橋臂上串、并聯(lián)上適當?shù)碾娮鑱硐@種不平衡，使 ，并使其隨溫度的變化趨于0，這就是零點溫度漂移補償?shù)哪康?。所以不論 、 如何連接，我們都可以根據(jù)以上SRP公式計算出 、 大小和符號，然后根據(jù)其符號(以上述推理確定的符號為正號)確定其SP應連接的位置:（1） ，則 并于 或 上；0PR?P1R3（2） ，則 并于 或 上；?24（3） ，則 串于 或 上；SS13（4） ，則 串于 或 上。影響壓阻系數(shù)大小的因素主要是擴散雜質的表面濃度和晶向。?靈敏度溫度系數(shù)主要是由壓阻系數(shù)隨溫度變化而決定的。這可以通過在電橋的輸入端接入熱敏電阻補償網絡 來實現(xiàn)。補償后傳感器的滿量程輸出有所降低是由于串聯(lián) 后被分壓的緣故。即溫度每變化1℃時相對于滿量程輸出G 的零r位電壓變化量?？捎脽崦綦娮璐⒙?lián)金屬膜電阻網絡進行補償。令 104TZinPOUR????則有： ()0POTZinTZR??由()、() 兩式得出零位溫度系數(shù)補償電阻 。但它隨溫度變化是非線性的，為了達到良好的補償效果，可以把熱敏電阻與金屬膜電阻組合成電阻網絡，這樣，該網絡隨溫度可作接近線性的變化。經上述補償后，零位溫度系數(shù)可以降到 以下。?TR?圖 壓力傳感器電橋電路 恒壓源供電時（1） 恒流源供電時（2） 惠斯登電橋恒壓源與恒流源供電的比較（1）所示,其輸出信號為:恒壓時　12VU??()()2T TT TEERR???????2T? （??）是由于溫度增加而產生的電阻變化。所以采用恒流源?！妗Ｒ驗?，??134??210R?所以 。?總之，恒流源工作模式下的電橋的輸出與電源電流成正比，即輸出與恒流源的供給的電流大小與精度有關。同時，傳感器輸出的毫伏級信號也不至于線路短路而產生火花。D3﹑ D4 為兩個穩(wěn)壓二極管，OP07 芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運算放大器集成電路。 為2I恒流源輸出電流，約為 ,Vcc=5V,兩個穩(wěn)壓二極管平分電壓，使得 兩端的電壓14R為 ，+ 信號地與地之間的電壓也為 ，即三極管 Q1 兩端的電壓為 。在這個領域里,首選就是采用專用精密集成運算放大器,然而精密集成運算放大器價格較高,芯片供電多采用雙電源對稱供電,對供電電路要求較高,應用上不太方便。同時要求放大器線性要好,增益穩(wěn)定,溫度影響小,工作穩(wěn)定。從而不吸收傳感器的輸出電流。該放大器第一級是具有深度電壓串聯(lián)負反饋的電路，所以應具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、輸入輸出失調小以及溫度穩(wěn)定性好等特點。R12WAA2 可外接電阻 ，可在 0～10KΩ 之間任取，這里取為 。由此可計算出電阻值分別為：。有 源 濾 波 電 路 的 負 載 不 影響 濾 波 特 性 ， 因 此 常 用 于 信 號 處 理 要 求 高 的 場 合 。圖 用來模擬放大電路高頻 響應的 RC 低通電路利用復變量 S，由圖可得濾波電路的傳遞函數(shù)為: ()111/RSCRSUAioVH???）（ ）（）（對于實際頻率， ，并令fjwS?2? （）12fH??可得高頻區(qū)的電壓增益 （ ）)/(1HioVHfjA??。 （1） （2） 濾波電路設計二：電壓信號經信號處理電路放大以后，變得更加不穩(wěn)定。 調零和調滿電路設計 對零點進行調節(jié)的電路，實質上就是調節(jié)本級放大電壓輸出的大小, 保證在信號源零度時整個回路電流 。當外界電壓源發(fā)生較大的波動時(或負載電阻 變化)，電路靜態(tài)L工作電流會發(fā)生微小變化,我們可以利用 來穩(wěn)定輸出電流。所以通過對 的調節(jié)，使得滿2PR1K?2PR度壓力時接收器的電流恰好為 20mA。的基本原理圖：圖中A、Q 、 構成了V/I變換器。由于電壓信號是1～5V變化，所以求得電阻 的值為 。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器在內的全部電路）不大于 。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。顯示儀表只需要串在電路中即可。在工業(yè)應用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。圖 壓 力 變 送 器 接 線 圖5 MPU 最小系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)設計 系統(tǒng)硬件設計1. 硬件電路供電電源設計作為高精度的數(shù)據(jù)采集和通信電路，必須滿足較高的分辨率指標，因而要求儀器輸出的模擬電信號有著較高的信噪比。MCU 的間歇工作周期可由鍵盤輸入，如果單片機進入掉電模式，可通過 S1 外部中斷 0 喚醒 MCU 進入正常工作模式。是 USB 端口，USB 總線包括一對 5V 電源線和一對數(shù)據(jù)信號線，通常+5V 電源線1P是紅色的，接地線是黑色的，D+信號線是綠色的， D信號線是白色。晶體 Y，電容 和 用于時鐘振蕩電路。6C發(fā)光二極管 和限流電阻 是可選器件，通常被省去。從目前解決單片機之間中長距離通信的諸多方案分析來看，RS485總線通信模式由于具有結構簡單、價格低廉、通信距離遠和數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點而被廣泛應用于儀器儀表、智能化傳感器集散控制、樓字控制、監(jiān)控報警等領域。當用于多站互聯(lián)時，可節(jié)省信號線，便于高速距離傳送。在通信距離為幾十米到上千米時，RS485 收發(fā)器被廣泛使用。RS485有 兩 線 制 和 四 線 制 兩 種 接 線 ， 四 線 制 只 能 實 現(xiàn) 點 對 點 的 通 信 方 式 ， 現(xiàn) 很 少 采 用 ，現(xiàn) 在 多 采 用 的 是 兩 線 制 接 線 方 式 ， 這 種 接 線 方 式 為 總 線 式 拓 撲 結 構 在 同 一 總 線 上 最 多可 以 掛 接 32個 結 點 。在軟件設計時，為了系統(tǒng)擴充和移植方便，采用了模塊化設計，對一些特征參數(shù)設置為全局變量，各模塊之間采用子程序調用連接。開始程序初始化 參數(shù)設定有按鍵否A/D 轉換獲取壓力 壓力校正 顯示壓力 電流輸出鍵處理YN圖 主程序流程圖6 實驗實測數(shù)據(jù)與誤差分析 擴散硅壓力變送器的測量圖 擴散硅壓力變送器實物圖（1）圖 擴散硅壓力變送器實物圖（2）如圖 所示的擴散硅壓力變送器實物圖，A 側將固定在壓力測量儀上，集成的電路板放在殼體內，并通過引線連接到 B 側的端子上，用來與電源或顯示儀表連接。 擴散硅壓力變送器的誤差分析對于擴散硅壓力變送器，產生測量誤差的主要原因有：傳感器的溫度漂移、傳感器安裝傾斜、信號源的幅值不穩(wěn)定、運算電路不理想等。d?,d?由圖中的幾何關系可以得到 （ ）cos,d??圖 傳感器的安裝誤差所產生的測量誤差因此，由傳感器的安裝誤差而產生的測量誤差為 ())cos1(,2 ?????d一般 很小， ，所以?21cos??? （ ）d??2?此項誤差隨著間隙變化量的增加而增加，因此從性質上仍屬于變值系統(tǒng)誤差。當 達到滿量程 時，此項誤差也達到其極限值 。3?410??在進行定量的誤差分析時，主要考慮上述誤差中不可忽略的誤差項，對于變化規(guī)律難以確切掌握的變值系統(tǒng)誤差，可當做隨機誤差來處理。通過對本課題的研究，我已經熟練掌握了擴散硅壓力傳感變送器的設計過程以及壓力變送器的工作原理和工作過程。使得在使用時提高了測量的精度和靈敏度。6．由于采用了專用數(shù)據(jù)采集模塊與計算機聯(lián)機通信，可通過計算機對變送器內部參數(shù)進行遠程組態(tài)和調整，也可通過變送器上的量程遷移設置按鈕和調零遷移按鈕，進行現(xiàn)場調整。智能化擴散硅壓力傳感變送器可以在實際生產過程中進行實時測量，把壓