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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變送器零點漂移的解決方法_畢業(yè)論文(存儲版)

2025-10-11 09:00上一頁面

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【正文】 為 1s(即 1000ms), 對曲線圖放大如下: 圖 原 2020/08/16 采集數(shù)據(jù)曲線放大圖 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 26 我們手動抽取 12個采樣點,則有 以下數(shù)據(jù): 表一 采樣開始前采集值 T (ms) 0 17 34 51 68 85 P (Mp) T (ms) 102 119 136 153 170 187 P (Mp) 表二 采樣結(jié)束后采集值 T (ms) 1317 1334 1351 1368 1385 1402 P (Mp) T (ms) 1419 1436 1453 1470 1487 1504 P (Mp) 表三 采樣期間采集值 T ( ms) 200 300 400 500 600 700 P (Mp) T (ms) 800 900 1000 1100 1200 1300 P (Mp) 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 27 運行去零漂軟件,如下圖: 圖 基線、斜率去零漂軟件運行界面 點擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕,對相關(guān)參數(shù)分別進行設(shè)置。 為了更為清楚的表明補償后的效果,我們給出補償前后的曲線圖如下: 圖 零點漂移補償前 2020/8/16 實驗采集數(shù)據(jù)曲線 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 33 圖 零點漂移補 償后 2020/8/16 實驗采集數(shù)據(jù)曲線 將曲線放大,如下圖: 圖 零點漂移補償后 2020/8/16 實驗采集數(shù)據(jù)曲線放大圖 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 34 作為信號預處理的一部分,消除零點漂移的軟件主要包含如下幾個功能:( 1)求 N個采樣點的平均值;( 2)計算方差和差分;( 3)計算斜率 k,數(shù)字濾波器;( 4)對采樣信號進行扣除零點漂移處理。在這些人中,給予我最多幫助、也是我最想感謝的是我的導師趙子先老師。 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 37 參考文獻 [1] 張曉群, 呂惠民 .壓力傳感器的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來 .半導體雜志, 2020 年 3 月 第 25 卷第 1 期. [2] 樊尚春 .傳感器技術(shù)及應(yīng)用 .北京:北京航空航天大學出版社, 2020. [3] 蘇亞,孫以材,李國玉.壓力傳感器熱零點漂移補償各種計算方法的比較.傳感技 術(shù)學報. . [4] 趙彥曉 . 壓力傳感器的熱零點漂移補償與非線性修正 .碩士論文.河北工業(yè)大學. [5] 張春飛,羅家榮. 軟件去除零點漂移方法的討論 .計算 機測量與控制. 2020. 12( 7). [6] M. Dijkstra, . Lammerink, . de Boer, . Berenschot, . Wiegerink and M. Elwenspoek. LowDrift Flow Sensor with ZeroOffset Thermopile Based Power Feedback. DTIP of April 2020. [7] 張立新,劉娜,趙楠. 擴散硅壓力變送器溫度補償研究 . 北京 石油化工學院學報 . 2020,6. [8] 甄麗娟 . 傳感器放大器零點漂移的解決辦法 .黑龍江電子技術(shù). 1998 年第 5 期. [9] 宋文緒,揚帆.傳感器與檢測技術(shù).北京:高等教育出版社. 2020 年. [10] 馬明?。當?shù)據(jù)采集與處理技術(shù).西安交通大學出版社. 2020。 總的來說,文章分析出了壓力傳感器的零點漂移的產(chǎn)生原理,編寫出了簡單可行的算法程序,基本實現(xiàn)了預期目標。 通過比較我們能得出,補償前,原曲線在 t=200ms 處的值為 ,補償后,新曲線在 t=200ms 處的值為 。 ux2=asum/(N2pq)。 Xmin2=ax[0+q]。 求差分部分程序: void CF(){ cf=(fabs(ux1ux2))/2。iN1p。 bx[]采樣前數(shù)據(jù)計算第一零點 y[]處理后的采樣數(shù)據(jù); CYx[]采樣數(shù)據(jù) float fc1,fc2,ux1,ux2,Xmax1,Xmax2,Xmin1,Xmin2,temp,cf,avgZ,k,T。 此外軟件法還包括查表法、插值法等,還有一些廠家從傳感器本身的特點出發(fā),采用特殊技術(shù),如改變摻雜濃度等,或者采用自校準技術(shù)來解決零點漂移的問題,但這些方法補償精度不高,效果遠沒有上述三種方法好,因此這里就不一一列舉。 基本原理:通常零點溫度補償軟件算法中公式法較復雜,切擬合精度常會受到限制。令 TT NN 1? ,即有等分點 TT 12 2? , TT 13 3? ,?。 在斜率零點漂移算法中 ,將式 ()存到 系統(tǒng) 中 ,每次測量的值經(jīng)過式 ()可得出消除零點漂移后的值 ,式 ()與式 ()為補償函數(shù) 。對于絕大多數(shù)的數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)都存在基線零點漂移;而斜率零點漂移則多見于積分系統(tǒng),隨著時間的推移,積分器的零點可能會出現(xiàn)隨時間累加漂移。 軟件補償?shù)乃惴ㄓ?基線、斜率去除零漂法、多項式擬合規(guī)范化法,以及 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等 ,都可用于壓力傳感器熱零點漂 移的補償 。 第一種:串并聯(lián)相鄰的形式,如圖 所示。 如圖 所示,在電橋完全對稱時 (即 R1R3=R2R4)輸出應(yīng)為零,在實際工藝條件下電阻總有些誤差,如在電源電壓為 3V 的條件下當 R1=R2=R3=R, R4=99%R,由VOC=V可見減小壓力傳感器的熱零點漂移的措施是各力敏電阻的電阻值及其溫度系數(shù)的相等性 。但在制作壓阻式傳感器的過程中,由于被連接成惠斯通電橋的四個擴散電阻的阻值不可能制作得完全相等,所以當壓力為零時,電橋的輸出不為零,這種零點輸出漂移將隨溫度的變化而發(fā)生漂移,即產(chǎn)生零點溫度漂移。 生產(chǎn)中一般采用集成電路的平面工藝 ,用雜質(zhì)擴散或離子注入的方法形成電阻器 。溫度為 0℃時的曲線斜率大, 25℃曲線的斜率其次,溫度為 50℃時曲線的斜率最小。 圖 壓力傳感器內(nèi)部惠斯頓電橋電路 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 10 壓阻式壓力傳感器的熱零點漂移問題的研究 傳感器零點產(chǎn)生漂移的原因很多。芯片引線穿過殼體引出并采用密封措施,防止硅油向外泄露或外面的壓力介質(zhì)滲入其中,這樣芯片、硅油、殼體和引線組成壓力傳感器。 圖 單晶硅任意方向的壓阻系數(shù)計算圖 1, 2, 3為單晶硅立方晶體的主軸方向;在任 意方向形成壓敏電阻條 R,P 為壓敏電阻條 R的主方向,又稱縱方向 。 我們知道,對給出的某種材料,其電阻的變化率可以寫為以下形式: RdR =??d+ LdL — 2 rdr ( ) 對于金屬而言, ??d 很小,電阻的應(yīng)變效應(yīng)主要是由式( )中的后兩項形成的;而對于半導體來說, ??d 卻很大,這是由半導體材料的導電特性決定的。零點漂移可由下式來計算 %100))(( )()( 121 1020 ???? ttt ttFSy yy? 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 6 式中 )(20ty —— 在規(guī)定的溫度 t2 保溫一小時后,傳感器零點輸出的平均值; )(10ty—— 在室溫 t1 時,傳感器零點輸出的平均值; )(1tyFS —— 在室溫 t1 時,傳感器滿量程輸出的平均值; )(2tyFS —— 在規(guī)定的溫度 t2 保溫一小時后,傳感器滿量程輸出的平均值。 課題研究的主要內(nèi)容 本文主要分析了壓力傳感器的工作特性,并分析了壓力傳感器產(chǎn)生零點漂移產(chǎn)生的原因。 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 4 當前國內(nèi)外對相關(guān)課題的研究進展 對于壓阻式壓力傳感器的零點漂移的補償這一課題,大體分為硬件補償和軟件補償。 ( 5) 更多的人致力于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計:在工業(yè)現(xiàn)場或者實驗室中,往往不同的環(huán)境 溫度對應(yīng)需要不同的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng),這就讓人們不得不考慮各種干擾因素以保證數(shù)據(jù)的準確性。 在上世紀末, Ziermann, Rene 和 VonBerg,Jochen 等 學者向大眾推出了 使用 新型材料 單晶n型 β SiC 制成的壓力傳感器, 用這種材料制成的 壓力傳感器具有耐高溫、抗輻射的性能 。在同一時期,日本東芝集團也推出了壓阻式智能壓力傳感器,這種傳感器通過軟件實現(xiàn)了對溫度漂移的補償,使精確度得到了改善。它能將接收的氣體、液體等壓力信號轉(zhuǎn)變成標準的電流電壓信號 ,以供給記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。 ( 2)進入上世紀 50 年代產(chǎn)生了基于力平衡的差壓變送器,這種變送器比大位移式變送器精確度要高,但是存在易受現(xiàn)場干擾等技術(shù)缺點。 本文從壓阻式壓力傳感器的電路入手,分析了壓力傳感器的工作特性以及產(chǎn)生零點漂移的原因。而多數(shù)的制造廠商不能生產(chǎn)沒有零點漂移的傳感器,這就需要我們對壓力傳感器的零點漂移進行研究及溫度補償?;仡欁兯推鞯陌l(fā)展歷程,大致經(jīng)過了以 下幾個階段: ( 1)起初生產(chǎn)的變送器工作原理是大位移,這一時期的變送器的精確度很低,而且重量較大。 本文題目是《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變送器零點漂移的解決方法》,這里的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變送器是由 測壓元件傳感器、模塊電路、顯示表頭、表殼和過程連接件等組成。早在 1983 年,美國的 Honeywen 公司就研發(fā)出了 ST3000100 系列,這是世界首臺智能化工業(yè)現(xiàn)場儀表。 當前國際對壓力傳感器研究方向及未來趨勢 從目前各個國家的研究情況及市場需求來看,壓力傳感器的發(fā)展主要集中在以下幾個方面 [1]: ( 1)著重研發(fā)適于高溫作業(yè)的壓力傳感器:這類傳感器以新型半導體材料為膜片的壓阻式壓力傳感器為代表。 ( 4) 利用壓阻效應(yīng)制成加速度傳感器 :現(xiàn)在, 用微機械加工工藝研制三維壓阻式加速度計成為主要的研究對象 ,這類傳感器主要用于檢測加速度。傳感器產(chǎn)生零點漂移的根源是由于環(huán)境溫度的變化,尤其是劇烈變化時,會引起壓力傳感器的電路元件的參數(shù)發(fā)生變化,從而使一些與被測量無關(guān)的信號也作為輸出信號一并輸出,這種由于零點漂移而產(chǎn)生的無關(guān)信號會被誤認為是測得的真實信號,若不對傳感器的零點漂移加以補償,不僅影響數(shù)據(jù)處理工作,也會影響到傳感器的靜態(tài)特性。隨著壓力傳感器的不斷智能化,純硬件電路補償?shù)姆椒ū┞冻鲈S多缺陷,而軟件補償技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。它是由于傳感器內(nèi)部各個環(huán)節(jié)性能不穩(wěn)定,或內(nèi)部溫度變化引起的,是反映傳感器穩(wěn)定性的指標。以下對擴散型壓敏電阻效應(yīng)做簡單討論 。 P Q I O 2 1 339。 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 頁 9 壓阻式壓力傳感器的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理 硅壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如下: 圖 壓阻式 壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 壓阻式壓力傳感器 利用具有壓阻效應(yīng)的半導體材料作為敏感元件,用 ISO 技術(shù)將半導體材料的敏感芯片封裝在不銹鋼波紋膜片的殼體中,在不銹鋼波紋膜片和芯片之間充有硅油。若給電橋加一個恒定電流或者電壓電源,電橋?qū)⑤敵雠c壓力對應(yīng)的電信號,這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換為壓力信號輸出。 如圖 231 所示為一定電激勵條件下壓力傳感 器典型的輸出電壓與壓力之間的關(guān)系。 制造半導體壓力傳感器的基本原理是利用硅晶體的壓阻效應(yīng) 。 零點熱漂移產(chǎn)生原因的電路分析 理想的情況下,組成惠斯通電橋的四個擴散電阻的阻值應(yīng)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(yīng)該零。 ? 值是 熱零點漂移的決定因素。壓阻系數(shù)是隨溫度變化而變化,因此壓阻效應(yīng)原理本身可引起傳感器輸出的溫度漂移;另外,半導體敏感元件的制作工藝也會帶來傳 感器的整體溫度漂移,如橋路電阻的不等同性、
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