【正文】 8．對本課題的研究是以濟南亞民自動化儀表有限公司的產(chǎn)品為基礎，對該儀器的小型化做了進一步的改進，將壓力變送器中的所有功能模塊都集中到了一個 PCB 板上，使壓力變送器成為了一臺便攜的測量儀器。同時，恒流源供電要比恒壓源供電更能消除溫度對傳感器的影響。2．初步建立變送器的各個系統(tǒng)，熟悉各個系統(tǒng)的概念、組成、功能。7 總 結本論文完成了對“ 擴散硅壓力傳感變送器 ”的研制與改進。信號源是用來給運算電路提供載波信號的，它的幅值穩(wěn)定性直接對放大器輸出的調(diào)幅波產(chǎn)生影響。由于 越大，? ?越大，因此應對傳感器安裝時的 加以限制。根據(jù)實際觀測到的漂移情況，此項測量誤差約為 初 始 值????410?2. 傳感器安裝傾斜產(chǎn)生的測量誤差 2若傳感器在安裝時端面的法線與間隙的變動方向不一致，也會產(chǎn)生一個測量誤差。具體測量數(shù)據(jù)如表 所示。數(shù)據(jù)采集采用查詢方式，進入子程序模塊后先關中斷，模塊執(zhí)行完后再開中斷。 很 多 情 況 下 ， 連 接 RS485通 信 鏈 路 時 只 是 簡 單 地 用 一 對 雙 絞 線 將 各 個 接 口的 “A”、 “B”端 連 接 起 來 。RS485 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達 200mv 的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。485總線系統(tǒng)更適合于應用在小型的對于速度要求不是很高，數(shù)據(jù)傳輸量不是很大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。負載設備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器(發(fā)送器和接收器的組合)。2U4．USB轉RS485 總線接口電路設計在工業(yè)控制及測量領域較為常用的網(wǎng)絡之一就是物理層采用RS485通信接口所組成的工控設備網(wǎng)絡。1C如果 USB 產(chǎn)品使用 USB 總線的電源，并且在 VCC 和 GND 之間并聯(lián)了較大的電容，使得電源上電過程較慢并且電源斷電后不能及時放電，那么 CH341 將不能可靠復位。如果 USB 產(chǎn)品通過其他供電方式提供常備電源，那么 CH341也應該使用該常備電源，如果需要同時使用 USB 總線的電源，那么可以通過阻值約為 1Ω的電阻連接 USB 總線的 5V 電源線與 USB 產(chǎn)品的 5V 常備電源，并且兩者的接地線直接相連接。3．串行接口設計圖 串行接口CH341 是一個USB 總線的轉接芯片，通過USB總線提供異步串口、打印口、并口以及常用的2線和4線等同步串行接口。另外，在儀器的小型化方面，對供電電源也有較高的要求。按一百米距離計算，省去兩根導線意味著成本降低近百元。工業(yè)電流標準下限為4mA，因此，只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。常取2mA作為斷線報警值。采用電流信號的原因是不容易受干擾。兩線制變送器的原理是利用了 4～20mA 信號為自身提供電能。由此式可以看出,負載電流的大小與負載本身的大小無關,而是與21UIiL?電阻 的大小有關。兩線制V/I變換器與一般V/I變換電路不同在：電壓信號不是直接控制輸出電流，而是控制整個電路自身耗電電流。 圖 調(diào)零電路圖2. 調(diào)滿電路 圖 調(diào)滿電路是由 、 、 組成的對上一級電壓輸出分壓構成。圖中在本級mAI41?15R617PR電壓輸入正端疊加一個調(diào)零電壓，使不足 4mA 的靜態(tài)工作電流達到 4mA。在濾波電路中采用了 RC 低通濾波電路, 低通濾波電路是只允許低于某一頻率的信號通過，而不允許高于該頻率的信號通過。(a)幅頻響應 (b)相頻響應圖 RC 低通電路的頻率響應設計一：從傳感器輸出的電流并不是穩(wěn)定的，它隨橋臂電阻的變化而變化，加上如圖 （1）所示的濾波電路，可以有效的濾除高次諧波。 有 源 濾 波 電 路 不 適用 于 高 電 壓 大 電 流 的 場 合 ， 只 適 用 于 信 號 處 理 。 濾波電路設計凡是由放大器等有源元件和無源元件組成的濾波器稱為有源濾波器。0 ???20R由于惠斯登電橋的滿量程輸出為 10～20mV，希望放大后輸出信號在 1～2V 之問，需要放大器的增益在 100 倍左右即： 。為保證在使用很長傳輸線時仍達到良好的性能，所有相同阻值電阻之間應匹配良好。 在理想情況下，即假設集成運放A1,A2,A3 都具有理想運放的特性。LM124的管腳接線圖如下所示。15 V ,而且驅動功耗低,每一組運放差模增益可達到100 dB。2I+ 信號地可以為信號處理電路提供恒定電壓。OP07 同時具有輸入偏置電流低（OP07 為177。但只要適當選擇應變片的雜質(zhì)濃度，電橋的輸出受溫度影響減小，這是恒流源的優(yōu)點。通常情況下，恒流源模塊是在室內(nèi)的，而傳感器則是室外的。21340R??15R?27同理，即 ,計算得 ,取標稱值 ，所以 。在T= 25℃1R2R2 SETI時設定電流計算公式如下所示，假定整個二極管（VD） ， 兩端的電1R壓 （64mV+ ％） 。這里選用LM334，,。當溫度變化時，輸出電壓V還和溫度有關，即 與 成非線性關系，所以用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。采用這種方法補償可以收到滿意的效果。由于TZR13RTZR24R的接人，G稍有變化。補償電阻的選擇：硼擴散電阻的溫度系數(shù)是正值，且與薄層電阻有關，一般為(1～2) ， 熱敏電阻的溫度系數(shù)是負值，而且溫度系數(shù)較大，一般為(20～70) 310/C???。R當四個橋臂電阻不平衡時， 10()4inPOUTR??溫度升高 ，T?120()()inPOT??式中 為擴散電阻等效溫度系數(shù)。2()POUT1()P21傳感器的零位溫度系數(shù)主要由力敏電阻全橋四個橋臂電阻的不對稱和各種封裝應力引起。C???/1024 零位溫度系數(shù)及其補償零位隨著溫度的不同而變化，溫度變化 后，零位電壓也隨之增加或減少一定的數(shù)T?值。當溫度升高 時，傳感器滿量程凈輸出為：T? ())1()1(00TRTGS??????式中： 為擴散電阻的溫度系數(shù)，一般為 ； 為熱敏電阻網(wǎng)絡溫度系數(shù)。恒流源供電時，當溫度升高，欲使 不變，可升高?橋路供電電壓。則靈敏度必然隨溫度的上升而下降， 引起靈敏度溫度漂移。 靈敏度溫度系數(shù)及其補償 靈敏度漂移產(chǎn)生的原因壓阻式傳感器的靈敏度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化引起的。0T,即為 、 之間的零點漂移；010V???1由于 ， ,將（～）式分別對應代入（）式中，并將其5PR?.2SR?中的 用 近似， 用 近似，化簡可得：i ()iT （）2210()() 044SSPPRTRVIdId????以同樣的方法對（ ）式進行化簡的： （ ）2022SPRId???聯(lián)立（）、（）兩式組成方程，解得 、 的值如下：PSR （ ）21002()SVRIdT???????? （）10()4P而根據(jù)惠斯登電橋可知，整個電橋在溫度為 、 時的等效電阻 、 可分別近1T01BR0似為： , ；因而，在溫度分別為 、 時，電橋在補償前恒流源供電1()BRT?0BR?時的電橋輸入端電壓（簡稱橋壓） 、 分別可用以下式子表示:1BRV0；1Id?0BRId?則（）、（）兩式可分別化為： ()22100002 1()44BRSVVRIdTId??????????????? ()21010()44BRPI??從公式可以看出，在恒流源供電下，對于待補償?shù)膫鞲衅?，只需測出傳感器補償前在溫度 、 時橋壓 、 和零點輸出電壓 、 ，即可根據(jù)公式（ ）和1T01BRV01V0（）計算出補償電阻 、 的大小。Id而由于四個橋臂電阻的參數(shù)不匹配，使得在零點時式()式: 。 零點溫度漂移的補償零點溫度漂移的補償就是在組成惠斯登電橋的四個電阻中，在相應的橋臂上串、并聯(lián)上一定阻值大小的電阻，用以平衡因四個擴散電阻初始阻值不匹配造成的零點漂移以及它隨溫度變化而變化的溫度漂移。造成靈敏度熱漂移的其他原因還有摻雜濃度過大或過小，電阻條與底座之間熱膨脹系數(shù)不一致等。因為在工業(yè)現(xiàn)場中，生產(chǎn)環(huán)境溫度變化范圍寬，而半導體力敏電阻壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)也很大，在環(huán)境變化時會產(chǎn)生工作特性漂移與靈敏度不穩(wěn)定的情況，使檢測系統(tǒng)發(fā)生變化而造成測量值隨環(huán)境溫度變化，出現(xiàn)測量誤差，影響了壓力傳感器的特性。因此，對壓阻式壓力傳感器進行溫度補償在實際應用當中顯得相當重要。壓阻式壓力傳感器的靈敏度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度改變而引起的。表面雜質(zhì)濃度高時，薄層電阻小，溫度系數(shù)亦小，反之，薄層電阻增加，溫度系數(shù)增大。圖 工作原理圖3 擴散硅壓力傳感器的溫度補償原理 對擴散硅壓力傳感器進行溫度補償?shù)囊饬x在對壓阻式壓力傳感器的研究方向中，包括開發(fā)耐高溫，及用于微機械加工的壓力傳感器，還有一個重要的研究方向是溫度漂移的補償，在實際應用當中，壓阻式壓力傳感器的確面臨著溫度補償問題。若給電橋加一個恒定電流或電壓電源，電橋將輸出與壓力對應的電壓信號，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉換成壓力信號輸出。受壓后其電阻值發(fā)生變化，電阻信號通過引線引出。要測量其他物理量,如壓力、??(/)RE????力、加速度等,就需要先將應變片貼在相應的彈性元件上, 過程壓力通過隔離膜片，密封硅油傳輸?shù)綌U散硅膜片上，同時參考端的壓力作用于膜片的另一側。通常/L???為一個微應變。 壓力傳感器組成結構示意圖，第一部分由質(zhì)量m、彈簧k、阻尼b組成的機械力學系統(tǒng)作為彈性敏感元件，它將壓力轉換成中間變量(形變)，然后由第二部分膜片相應位置采用半導體工藝制成的電阻條，根據(jù)壓阻效應，最終轉換成相應的變化量輸出。如：對傳感測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分辨率、精度進行統(tǒng)一量化及非線性數(shù)據(jù)補償。5 標準化如IEC、ISO國際標準，日本的JIS標準，法國的DIN 標準、原蘇聯(lián)S3CT及TO標準。3 智能化由于集成化的出現(xiàn),在集成電路部分制作一些微處理機，使其具有“記憶”、“思維”、“處理”等能力。(2)制造工藝比較復雜，對研制條件要求高而嚴格，尤其是燒結、封裝工藝，而其成本較高。耐腐蝕性好 由于擴散硅材料本身優(yōu)良的化學防腐性能好，即使傳感器受壓面不隔離，也能在普通使用中適應各種介質(zhì)。平均無故障時間長，性能穩(wěn)定，可靠性高。由于它輸入激勵電壓低，輸出信號大，且無機械動件損耗，因而分辨率極高。 此 外 ， 在 油 井壓 力 測 量 、 隨 鉆 測 向 和 測 位 地 下 密 封 電 纜 故 障 點 的 檢 測 以 及 流 量 和 液 位 測 量 等 方 面都 廣 泛 應 用 壓 阻 式 傳 感 器 。％ 。 在 飛 機 噴 氣 發(fā) 動 機 中 心 壓 力 的 測 量 中 ， 使 用 專 門 設 計 的 硅 壓力 傳 感 器 ,其 工 作 溫 度 達 500℃ 以 上 ?？梢院敛豢鋸埖卣f，新世紀的社會，將是充滿傳感器的社會。 擴散硅壓力傳感器的應用由于擴散硅壓阻傳感器自身特點，其應用領域開辟了廣闊的道路。由于壓力的原因，硅晶體的電阻發(fā)生變化，變化的大小與受到的壓力大小有關，同時與材料本身的壓阻系數(shù)有關。硅材料的單晶結構使壓阻式壓力傳感器的遲滯極小，重復性極好；硅的壓阻系數(shù)較大，使用溫度范圍較寬。利用半導體材料的壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。在圓形硅膜片(N 型)定域擴散 4 條 P 雜質(zhì)電阻條 ,并接成全橋，其中兩條位于壓應力區(qū)，另兩條處于拉應力區(qū)，相對于膜片中心對稱。 壓阻式壓力傳感器簡介 壓阻式壓力傳感器的結構壓阻式壓力傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。雖然在某些方面己趕上或者接近世界先進水平。這時，軍事領域開始裝備智能傳感器。在1983年，美國HoneyWell公司推出了全世界第一臺智能化現(xiàn)場儀表ST3000100系列，同時日本的TOSHIBA公司推出Hseries智能壓力傳感器，研制出壓阻式多功能傳感器，用微處理器及軟件補償，提高了測量精度，減小了溫漂，并且有故障自我診斷和數(shù)字通訊遙控調(diào)整功能。結合低功耗高性能單片機實現(xiàn)被測參量誤差補償及對傳感系統(tǒng)的遠程校準及與上位機的數(shù)據(jù)通信，并使整個測量傳感系統(tǒng)具有體積小，重量輕，測量精度高，安裝方便，長期穩(wěn)定度好等優(yōu)點。本科畢業(yè)論文題 目：智能化擴散硅壓力傳感 變送器的研制目 錄摘 要 ..............................................................................................IIIABSTRACT ..........................................IV1 前 言 ...............................................................................................1 壓力傳感器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ..........................................................................1 壓阻式壓力傳感器簡介 ..............................................