畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）智能化擴(kuò)散硅壓力傳感變送器的研制

1、本科畢業(yè)論文 題 目：智能化擴(kuò)散硅壓力傳感 變送器的研制 院 （部）：信息與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化 班 級(jí)： 電本 062 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2010 年 6 月 12 日 目目 錄錄 摘 要.iii abstract .iv 1 前 言.1 1.1 壓力傳感器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.2 壓阻式壓力傳感器簡(jiǎn)介.2 1.2.1 壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu).2 1.2.2 壓阻式壓力傳感器的發(fā)展.2 1.2.3 擴(kuò)散硅壓力傳感器的應(yīng)用.3 1.2.4 擴(kuò)散硅壓力傳感器的特點(diǎn).4 1.3 擴(kuò)散硅壓力傳感器的發(fā)展趨勢(shì).5 1.4 本課題所完成的任務(wù).6 2 擴(kuò)

2、散硅壓力傳感變送器的原理.7 2.1 壓阻式壓力傳感器的機(jī)械原理.7 2.2 壓阻式壓力傳感器的工作原理.8 3 擴(kuò)散硅壓力傳感器的溫度補(bǔ)償原理.9 3.1 對(duì)擴(kuò)散硅壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)囊饬x.9 3.2 零點(diǎn)溫度漂移及其補(bǔ)償.10 3.2.1 零點(diǎn)溫度漂移產(chǎn)生的原因.10 3.2.2 零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償.10 3.3 靈敏度溫度系數(shù)及其補(bǔ)償.14 3.3.1 靈敏度漂移產(chǎn)生的原因.14 3.3.2 靈敏度漂移補(bǔ)償措施.14 3.4 零位溫度系數(shù)及其補(bǔ)償.14 4 擴(kuò)散硅壓力變送器整體方案設(shè)計(jì)與計(jì)算.17 4.1 電源電路.17 4.1.1 傳感器供電電路.17 4.1.2 信號(hào)處理供電電路

3、.20 4.2 信號(hào)處理電路.21 4.2.1 電路工作原理.22 4.2.2 濾波電路設(shè)計(jì).24 4.2.3 調(diào)零和調(diào)滿電路設(shè)計(jì).25 4.3 電壓電流轉(zhuǎn)換.26 4.4 兩線制輸出.27 4.5 整機(jī)測(cè)量與誤差分析.27 5 mpu 最小系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)設(shè)計(jì).33 5.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).33 5.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).37 6 總 結(jié).39 謝 辭.41 參考文獻(xiàn).42 附 錄.43 摘 要 本文介紹了智能化擴(kuò)散硅壓力傳感變送器的研制。智能壓力傳感變送器的 核心部件-壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)（集壓力敏感轉(zhuǎn)換于一體） ，在 單晶硅膜片上擴(kuò)散一個(gè)惠斯登應(yīng)變電橋?；菟沟请姌驒z測(cè)出電阻值

4、的變化，經(jīng) 過(guò)差分歸一化放大器，輸出放大器放大后，再經(jīng)過(guò)電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相 應(yīng)的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過(guò)非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了與輸入電壓 成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的 420ma 的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 結(jié)合低功耗高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)被測(cè)參量誤差補(bǔ)償及對(duì)傳感系統(tǒng)的遠(yuǎn)程校準(zhǔn) 及與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，并使整個(gè)測(cè)量傳感系統(tǒng)具有體積小，重量輕，測(cè)量精 度高，安裝方便，長(zhǎng)期穩(wěn)定度好等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：智能化；擴(kuò)散硅；壓力傳感器；二線制變送器；補(bǔ)償 intelligent diffused silicon pressure sensor transmitter abstract this paper introduc

5、es the intelligent diffused silicon pressure sensor transmitter. the core components of intelligent pressure sensor transmitter - the pressure sensor uses the piezoresistive effect of single crystal silicon (in one set of pressure-sensitive and conversion ), the silicon diaphragm strain on the proli

6、feration of a wheatstone bridge. wheatstone bridge detects changes in resistance. after differential normalized amplifier, output amplifier, and then after the conversion of voltage and current,it converts into a corresponding current signal. the current signal changes into the standard 420ma output

7、 signal which has a linear corresponding relationship with the input voltage, through a nonlinear correction loop compensation. the output of the bridge there will be a corresponding change in the measured pressure signal output. combination of low-power and high-performance single chip,it can reali

8、ze the error compensation of measured parameters and the calibration of remote sensing system and data communication with the host computer .and it makes the whole measuring sensor system have a compact light weight，high accuracy，easy installation，and good long-term stability. key words：intelligent；

9、diffused silicon ；pressure sensor；two-wire- transmitter compensation 1 前 言 1.1 壓力傳感器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度、流量、壓力、位移是最常見(jiàn)的工業(yè)參數(shù)，其中壓 力參數(shù)的檢測(cè)顯得尤為重要，應(yīng)用最為面廣量大。據(jù)日本電氣計(jì)測(cè)器工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì) 過(guò)程傳感器(溫度、流量、壓力、位移、密度等)的生產(chǎn)和銷售進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)，壓力 類傳感器占整個(gè)過(guò)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(chǔ)的壓力類測(cè)量及變送儀表也在過(guò)程控制系統(tǒng)中占有很高的比例。它們?cè)谑汀?化工、火電廠、冶金等工業(yè)部門(mén)得到了廣泛的應(yīng)用。 在1983

10、年，美國(guó)honeywell公司推出了全世界第一臺(tái)智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表st3000-100系列， 同時(shí)日本的toshiba公司推出h-series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(bǔ)償，提高了測(cè)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。1992年，美國(guó)honeywell公司又推出了st3000-900系列智能壓力傳感器，它 是在st3000-l00系列的基礎(chǔ)上增加了較完善的自診斷功能，雙向通訊功能。在此期間美國(guó) rosemount公司推出了hart協(xié)議(highway addressable remote transducer，尋址遠(yuǎn)程傳感 器數(shù)據(jù)線)，

11、德國(guó)bosch公司推出can bus協(xié)議。同期motorola公司、foxbird公司、 eggic sensors公司也推出了功能類似的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，其中部分產(chǎn)品由當(dāng)時(shí)的中國(guó) 電子器材總公司引進(jìn)國(guó)內(nèi)，曾應(yīng)用在一些重要的部門(mén)。這時(shí)，軍事領(lǐng)域開(kāi)始裝備智能傳感 器。1995年以后，智能壓力傳感器特別是智能差壓傳感器得到了較快的發(fā)展，以美國(guó) honeywell公司為代表的西方國(guó)家不但開(kāi)發(fā)了全數(shù)字技術(shù)和遠(yuǎn)程組態(tài)系統(tǒng)，而且推出了多 種型號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)。 90年代后，我國(guó)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(xué)研制了wps-1型智能壓力傳感器，它可長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作在環(huán)境溫度變

12、化較為頻繁的 場(chǎng)所；1997年，西安交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院綜合自動(dòng)化研究所為三峽工程研制了體積 小于國(guó)內(nèi)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(xué)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(shí)現(xiàn)大溫度范圍內(nèi)的全量程壓力信 號(hào)的溫度補(bǔ)償；2003年湖南長(zhǎng)沙索普測(cè)控技術(shù)有限公司研制的納米壓力傳感器獲成功，產(chǎn) 品整體性能超過(guò)美國(guó)超微傳感器，實(shí)現(xiàn)了傳感器在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性 和可靠性，提高了傳感器精度等級(jí)、溫度特性等各方面性能指標(biāo)。2004年“耐高溫壓力傳 感器”經(jīng)過(guò)

13、4年攻關(guān)在西安交大研制成功，該硅隔離耐高溫微型壓力傳感器能在- 30250環(huán)境下進(jìn)行壓力測(cè)量，可完成1000mpa以下任意量程范圍的壓力測(cè)量，能承受 2000瞬時(shí)高溫沖擊，性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 雖然在某些方面己趕上或者接近世界先進(jìn)水平。但是從總體來(lái)看，我國(guó)的傳 感器技術(shù)的研究和生產(chǎn)還比較落后，與國(guó)外有較大差距；目前的傳感器，無(wú)論在數(shù)量、質(zhì) 量和功能上，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)社會(huì)多方面發(fā)展的需要。主要是：品種不全,產(chǎn)量過(guò)低,工作溫 度范圍較小,長(zhǎng)期穩(wěn)定性與可靠性較差,集成度不高。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量越來(lái)越大,大量 壓力傳感器需要進(jìn)口，特別是高精度產(chǎn)品。 1.2 壓阻式壓力傳感器簡(jiǎn)介 1.2.1 壓阻式

14、壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 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。壓阻式壓力傳感器又稱為固態(tài)壓力傳 感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過(guò)彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過(guò)硅膜片感 受被測(cè)壓力的。硅膜片的一面是與被測(cè)壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。 硅膜片一般設(shè)計(jì)成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為 2060。在圓形硅膜片(n 型)定 域擴(kuò)散 4 條 p 雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)， 相對(duì)于膜片中心對(duì)稱。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻 條,兩條

15、受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。 1.2.2 壓阻式壓力傳感器的發(fā)展 硅的壓阻效應(yīng)是1954年由c.ssmith首先發(fā)現(xiàn)，1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出硅力敏電阻， 此后壓阻傳感器開(kāi)始問(wèn)世。 壓阻效應(yīng)：沿一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加壓力使其變形時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生顯著變 化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱為壓阻 式傳感器。目前使用最多的是單晶硅半導(dǎo)體。 壓阻壓力傳感器是目前應(yīng)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(dǎo) 體材料硅的壓阻效應(yīng)制成的傳感器。單晶硅不僅是最廣泛使用的半導(dǎo)體材料，也是力學(xué)性 能十分優(yōu)良的彈性材料。硅材料的單晶結(jié)構(gòu)使

16、壓阻式壓力傳感器的遲滯極小，重復(fù)性極好； 硅的壓阻系數(shù)較大，使用溫度范圍較寬。這類傳感器隨著硅集成電路平面工藝的完善而得 到高度的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用作高靈敏 度，高精度的微型真空計(jì)，絕對(duì)壓力計(jì)，流速計(jì)，流量計(jì)，聲傳感器，氣動(dòng)過(guò)程 控制器等。 早期的壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的粘貼型壓阻傳感器，它的傳感器 元件是用半導(dǎo)體材料體電阻制成的粘貼式應(yīng)變片；20世紀(jì)70年代以后，壓阻式壓力傳感器 發(fā)展成為在硅片的應(yīng)變敏感部位擴(kuò)散出阻值相同的條，在壓力作用于其上時(shí)，硅膜片產(chǎn)生 應(yīng)變，從而使電阻條變形輸出一個(gè)與壓力呈正比的線性化電壓信號(hào)，稱為擴(kuò)散硅式壓力傳 感器。由于四差動(dòng)臂惠斯登電橋具有最高

17、的靈敏度,最好的溫度補(bǔ)償性能和最高的輸出線 性度，因此，在壓力測(cè)量中，電阻條通常連接成等臂、等電阻應(yīng)變率的四差動(dòng)臂惠斯登電 橋。 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(guān)，同時(shí) 與材料本身的壓阻系數(shù)有關(guān)。影響壓阻系數(shù)最主要因素是環(huán)境溫度和擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度。 壓阻系數(shù)隨擴(kuò)散雜質(zhì)濃度的增加而減小。表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降 較快，提高表面雜質(zhì)濃度，壓阻系數(shù)隨溫度升高而下降變慢。 1.2.3 擴(kuò)散硅壓力傳感器的應(yīng)用 由于擴(kuò)散硅壓阻傳感器自身特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了廣闊的道路。新型智能式傳感器 的發(fā)展及應(yīng)用將導(dǎo)致面向過(guò)程檢測(cè)和控制技術(shù)產(chǎn)生新的突破。在我國(guó)壓阻

18、傳感技術(shù)的研制 和生產(chǎn)已得到迅猛發(fā)展, 傳感技術(shù)早己滲透到工業(yè)生產(chǎn)，軍事國(guó)防，宇宙探測(cè)，海洋開(kāi)發(fā)， 環(huán)境保護(hù)，資源調(diào)查，醫(yī)學(xué)診斷，生物工程，文物保護(hù)，安全防范，家用電器等極其廣泛 的領(lǐng)域。因此，從茫茫太空到浩瀚的海洋，從各種復(fù)雜工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行， 幾乎每一個(gè)領(lǐng)域都離不開(kāi)各種各樣的傳感器?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，新世紀(jì)的社會(huì)，將是充 滿傳感器的社會(huì)。 在航天和航空工業(yè)中壓力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù) ,對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力 ,局部壓力和整個(gè)壓 力場(chǎng)的測(cè)量都要求 有很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例 如,用于測(cè)量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的動(dòng)態(tài)畸變、葉柵的脈 動(dòng)壓力和

19、機(jī)翼的抖動(dòng)等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中心壓力的測(cè)量中，使用專門(mén)設(shè)計(jì)的硅壓 力傳感器,其工作溫度達(dá) 500以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)中采用了精度高 達(dá) 0.05的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，壓阻式傳感器能密集 安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道模型中。單個(gè)傳感器直徑僅2.36 毫米，固有頻 率高達(dá) 300 千赫,非線性和滯后均為全量程的 0.22。在生物醫(yī)學(xué)方面 ,壓阻式傳感 器也是理想的檢測(cè)工具。已制成 薄到 10 微米的擴(kuò)散硅膜,外徑僅 0.5 毫米的注射針型 壓阻式壓力傳感器和能測(cè)量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。壓 阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波

20、的測(cè)量,真空測(cè)量,監(jiān)測(cè)和控制汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)的性能以及諸如測(cè)量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測(cè)量。此外，在油井 壓力測(cè)量、隨鉆測(cè)向和測(cè)位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢測(cè)以及流量和液位測(cè)量等方面 都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，壓阻式傳感器的 應(yīng)用還將迅速發(fā)展 。 1.2.4 擴(kuò)散硅壓力傳感器的特點(diǎn) 擴(kuò)散硅傳感器與其它類型的傳感器相比有許多優(yōu)點(diǎn)： 1、靈敏度高 擴(kuò)散硅敏感電阻的靈敏因子比金屬應(yīng)變片高 5080 倍，它的滿量程信號(hào)輸出在 80100mv 左右。對(duì)接口電路適配性好，應(yīng)用成本相應(yīng)較低。由于它輸入激勵(lì)電壓低， 輸出信號(hào)大，且無(wú)機(jī)械動(dòng)件損耗，因而分辨率極高。 2、精度

21、高 擴(kuò)散硅壓力傳感器的感受、敏感轉(zhuǎn)換和檢測(cè)三位一體，無(wú)機(jī)械動(dòng)件連接轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所 以不重復(fù)性和遲滯誤差很小。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。 3、可靠性高 擴(kuò)散硅敏感膜片的彈性形變量在微應(yīng)變數(shù)量級(jí)，膜片最大位移量在幾微米數(shù)量級(jí)，且 無(wú)機(jī)械磨損，無(wú)疲勞，無(wú)老化。平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，可靠性高。 4、頻響高 由于敏感膜片硅材料的本身固有頻率高，一般在 50khz。制造過(guò)程采用了集成工藝， 膜片的有效面積可以很小，配以剛性結(jié)構(gòu)前置安裝特殊設(shè)計(jì)，使傳感器頻率響應(yīng)很高，使 用帶寬可達(dá)零頻至 100khz。 5、抗電擊穿性能好 由于采用了特殊材料和裝配工藝

22、，擴(kuò)散硅傳感器不但可以做到130正常使用，而且在 強(qiáng)磁場(chǎng)、高電壓擊穿試驗(yàn)中可抗擊1500v/ac電壓的沖擊。 6、耐腐蝕性好 由于擴(kuò)散硅材料本身優(yōu)良的化學(xué)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(yīng)各種介質(zhì)。硅材料又與硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔離時(shí)結(jié)構(gòu) 工藝更易于實(shí)現(xiàn)。加之它的低電壓、低電流、低功耗、低成本和本質(zhì)安全防爆等特點(diǎn)，因 此可替代諸多同類型同功能的產(chǎn)品，具有最優(yōu)良的性能價(jià)格比。 擴(kuò)散硅傳感器也存在如下一些不足之處： (1)由于擴(kuò)散硅傳感器是用半導(dǎo)體材料制作的，受溫度影響較大，因而在溫度變化大的環(huán) 境中使用時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 (2)制造工藝比較復(fù)雜，對(duì)研

23、制條件要求高而嚴(yán)格，尤其是燒結(jié)、封裝工藝，而其成本較 高。 1.3 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。 2 集成數(shù)字化 利用現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝和成熟的集成化技術(shù)，將感壓橋路、溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)放大電路通 過(guò)集成化平面工藝制作在同一芯片上,使得信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)能傳遞數(shù)字的信號(hào)。在測(cè)量技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的數(shù)字式傳感器，在結(jié)構(gòu)上有小型化、標(biāo) 準(zhǔn)化和智能化的特點(diǎn)，而在性能方面則具有響應(yīng)快、精度高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)和 工作可靠以及便于程序控制及數(shù)據(jù)處理等特點(diǎn)。 3 智能化 由于集成化的出現(xiàn),在

24、集成電路部分制作一些微處理機(jī)，使其具有“記憶”、“思維”、 “處理”等能力。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。 4 多功能系列化 利用擴(kuò)散硅技術(shù)在芯片上通過(guò)摻雜不同雜質(zhì),同時(shí)制成感溫元件和感壓元件是可能的。為 滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要和提出的各種檢測(cè)控制的需要，需加大系列化和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 方面的研究。 5 標(biāo)準(zhǔn)化 如iec、iso國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，日本的jis標(biāo)準(zhǔn)，法國(guó)的din標(biāo)準(zhǔn)、原蘇聯(lián)s3ct及to標(biāo)準(zhǔn)。 1.4 本課題所完成的任務(wù) 1、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。 2、設(shè)計(jì)專用測(cè)量轉(zhuǎn)換電路模塊，并采用二線制工作模式技術(shù)，以提高傳感測(cè)量系統(tǒng)的遠(yuǎn) 傳能力及

25、抗干擾能力。 3、并在此基礎(chǔ)上結(jié)合儀器智能化思路，并設(shè)計(jì)專用 mpu 最小系統(tǒng)以滿足傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 處理功能。如：對(duì)傳感測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、分辨率、精度進(jìn)行統(tǒng)一量化及非線性數(shù)據(jù)補(bǔ)償。 4、通過(guò)采用專用數(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。 2 擴(kuò)散硅壓力傳感變送器的原理 測(cè)量壓力的方法有許多種，最常用的是把壓力轉(zhuǎn)換成材料的長(zhǎng)度或高度變化來(lái)測(cè)量， 即彈性元件。壓力傳感器的彈性元件都是膜。如圖2.1所示。 圖2.1 壓力傳感器組成結(jié)構(gòu)示意圖 壓阻式壓力傳感器工作過(guò)程可以由圖2.2表示，第一部分由質(zhì)量m、彈簧k、阻尼b組成 的機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)作為彈性敏感元件，它將壓力轉(zhuǎn)換成中間變

26、量(形變)，然后由第二部分膜 片相應(yīng)位置采用半導(dǎo)體工藝制成的電阻條，根據(jù)壓阻效應(yīng)，最終轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的變化量 輸出。電阻條阻值改變量與相應(yīng)膜片壓力成正比。rr 圖2.2 壓阻式壓力傳感器組成框圖 2.1 壓阻式壓力傳感器的機(jī)械原理 壓阻式傳感器是將輸入的機(jī)械量應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的變化元件。電阻變換器的 輸入量為應(yīng)變,即材料的長(zhǎng)度相對(duì)變化量,它是一個(gè)無(wú)量綱的相對(duì)值。通常/l l 為一個(gè)微應(yīng)變。 6 10 電阻變換器的輸出量為電阻值的相對(duì)變化量。電阻變換器有金屬電阻變換器和/r r 半導(dǎo)體電阻變換器兩種類型。根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng): ,且,其中: (/) e 是應(yīng)力(f/s)； 是壓阻系數(shù), =

27、(4080) ；是楊氏彈性模量, 112 10/mn e ,所以電阻的相對(duì)變化為: 。要測(cè)量其他物理量,如壓力、 112 1.67 10/en m(/)r re 力、加速度等,就需要先將應(yīng)變片貼在相應(yīng)的彈性元件上, 過(guò)程壓力通過(guò)隔離膜片，密封 硅油傳輸?shù)綌U(kuò)散硅膜片上，同時(shí)參考端的壓力作用于膜片的另一側(cè)。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)。在電氣性能上，他們連接成一個(gè)全動(dòng)態(tài)惠斯登電 橋，以增大輸出信號(hào)。 2.2 壓阻式壓力傳感器的工作原理 當(dāng)傳感器處在壓力介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上其中的硅

28、油受壓，硅油將膜 片上的壓力傳遞給半導(dǎo)體芯片。受壓后其電阻值發(fā)生變化，電阻信號(hào)通過(guò)引線引出。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)。電阻式壓力傳感器一般通過(guò)引線接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯片沒(méi)有外加壓 力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位） ，當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹?去平衡。若給電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，這樣 傳感器的電阻變化通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)輸出。現(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?；菟沟请姌虿?用恒流供電，這樣電橋

29、的輸出不受溫度的影響，惠斯登電橋檢測(cè)出電阻值的變化，經(jīng)過(guò)差 分歸一化放大器，輸出放大器放大后，再經(jīng)過(guò)電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號(hào)， 該電流信號(hào)通過(guò)非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了與輸入電壓成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的 420ma 的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 為減小溫度變化對(duì)芯片電阻值的影響，提高測(cè)量精度，壓力傳感器都采用溫度補(bǔ)償措 施，使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持較高水平。 圖 2.3 工作原理圖 3 擴(kuò)散硅壓力傳感器的溫度補(bǔ)償原理 3.1 對(duì)擴(kuò)散硅壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)囊饬x 在對(duì)壓阻式壓力傳感器的研究方向中，包括開(kāi)發(fā)耐高溫，及用于微機(jī)械加工的壓力傳 感器，還有一個(gè)重要的研究方向是溫度

30、漂移的補(bǔ)償，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，壓阻式壓力傳感器 的確面臨著溫度補(bǔ)償問(wèn)題。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。零位漂移是因?yàn)閿U(kuò)散電阻阻值隨溫度改 變而發(fā)生變化。擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)因薄層電阻不同而異。表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，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。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。所以，適當(dāng)提高表面 雜質(zhì)濃度，可以減小溫度系數(shù)，進(jìn)而減小零位漂移。但是，過(guò)高的雜質(zhì)濃度會(huì)降低傳感器 的靈敏度。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。當(dāng)

31、溫度 升高時(shí)，壓阻系數(shù)減小，反之則增大。所以，當(dāng)溫度升高時(shí)，傳感器靈敏度降低。如果提 高擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度，壓阻系數(shù)隨溫度變化要小一些，但傳感器的靈敏度同樣會(huì)降 低。因此，對(duì)壓阻式壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中顯得相當(dāng)重要。 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。傳感器有時(shí)會(huì)因精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及熱漂移問(wèn)題而受到應(yīng)用限制。而對(duì)于擴(kuò)散硅傳 感器來(lái)說(shuō)，熱漂移問(wèn)題是決定其特性好壞的一大關(guān)鍵指標(biāo)。因?yàn)樵诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，生產(chǎn)環(huán)境 溫度變化范圍寬，而半導(dǎo)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(shí)會(huì)產(chǎn)生工 作特性漂移與靈敏度不穩(wěn)定的情況，使檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)生變

32、化而造成測(cè)量值隨環(huán)境溫度變化， 出現(xiàn)測(cè)量誤差，影響了壓力傳感器的特性。 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。造成零點(diǎn)輸出失衡及零點(diǎn) 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。 (2)靈敏度熱漂移：由于靈敏度與壓阻系數(shù)成比例關(guān)系，而壓阻系數(shù)為溫度的函數(shù)，因此 在加壓情況下，電橋的滿量程輸出也要隨溫度變化而變化。造成靈敏度熱漂移的其他原因 還有摻雜濃度過(guò)大或過(guò)小，電阻條與底座之間熱膨脹系數(shù)不一致等。 （3）零位溫度漂移：零

33、位隨溫度的變化而變化。 3.2 零點(diǎn)溫度漂移及其補(bǔ)償 3.2.1 零點(diǎn)溫度漂移產(chǎn)生的原因 理想的情況下，組成惠斯通電橋的四個(gè)擴(kuò)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(shí)，電橋的輸出電壓應(yīng)該為零。但在制作壓阻式傳感器的過(guò)程中，由于被連接 成惠斯登電橋的四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值不可能制作得完全相等，所以當(dāng)壓力為零時(shí)，電橋的 輸出不為零，這種零點(diǎn)輸出漂移將隨溫度的變化而發(fā)生漂移，即產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移。 3.2.2 零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償 零點(diǎn)溫度漂移的補(bǔ)償就是在組成惠斯登電橋的四個(gè)電阻中，在相應(yīng)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(gè)擴(kuò)散電阻初始阻值不匹配造成的零點(diǎn)漂移以及它 隨溫度變化

34、而變化的溫度漂移。由于這種補(bǔ)償方法是在電橋上完成的，我們將這類方法稱 之為“橋內(nèi)補(bǔ)償法” ?，F(xiàn)以如圖 3.1 所示的恒流源供電電路為例進(jìn)行分析。 圖 3.1 恒流源溫度補(bǔ)償原理圖 根據(jù)電橋平衡理論可知，圖 3.1 所示電橋在未接補(bǔ)償電阻時(shí)應(yīng)該滿足: (3.2.1a) 1324 0 1234 r rr r vid rrrr 其中為供電電流源的大小。id 而由于四個(gè)橋臂電阻的參數(shù)不匹配，使得在零點(diǎn)時(shí)式(3.2.1a)式:。且隨著 1324 0r rr r 溫度的變化而變化。因而可以在橋臂上串、并聯(lián)上適當(dāng)?shù)碾娮鑱?lái)消除這種不平衡，使 ，并使其隨溫度的變化趨于0，這就是零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償?shù)哪康?。?dāng)給 13

35、24 0r rr r 6 電橋串并聯(lián)上如圖3.1所示的電阻進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，要達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч闺姌虻牧泓c(diǎn)溫度漂移 為零，則要滿足下列式子的要求: （3.2.1b） 1324 1324 13241324 ( )/( )( )( )(/)() 0 ( )/( )( )( )/ ps ps psps r trr trr t r trrrrr r idid r trr tr r tr trrrrrr 其中 四個(gè)橋臂電阻在溫度時(shí)的阻值（i=1,2,3,4）；( ) i r t 1 t 四個(gè)橋臂電阻在溫度時(shí)的阻值（）； i r 0 t 10 tt 恒流源；id 、串并聯(lián)電阻； s r p r 同時(shí)，補(bǔ)償后的電橋

36、的零點(diǎn)漂移也應(yīng)該為零，則有： （3.2.1c） 1324 1324 (/)() 0 / ps ps rrrrr r id rrrrrr 為簡(jiǎn)化計(jì)算，令 4 1 1/4 i i rr 4 1 ( )1/4( ) i i r tr t 式中 溫度為時(shí)橋臂電阻的平均值；r 0 t 溫度為時(shí)橋臂電阻的平均值；( )r t 1 t 在式（3.2.1c）中， 11 1 1 1 / 1 p p p p r rr rr r rr r 因而對(duì)其進(jìn)行泰勒展開(kāi)得： 23 111 11 23 /(1) p ppp rrr rrr rrr 一般認(rèn)為， 的傳感器才有補(bǔ)償價(jià)值，故將以上的泰勒展開(kāi)式略去高50 p rr0.0

37、2 s rr 次項(xiàng)得： (3.2.1d) 2 1 11 / p p r rrr r 同理可得： (3.2.1e) 2 1 11 ( ) ( )/( ) p p r t r trr t r 又 (3.2.1f) 1234 ( )( )( )( )4 ( )r tr tr tr tr t (3.2.1g) 1234 4rrrrr 令 1324 1 1234 ( )( )( )( ) ( )( )( )( ) r t r tr t r t v r tr tr tr t 為補(bǔ)償前傳感器在溫度時(shí)的零點(diǎn)輸出； 1 t 1324 0 1234 r rr r v rrrr 為補(bǔ)償前傳感器在溫度時(shí)的零點(diǎn)輸出。

38、0 t ,即為、之間的零點(diǎn)漂移； 010 vvv 1 t 0 t 由于，,將（3.2.1d3.2.1g）式分別對(duì)應(yīng)代入（3.2.1b）式中，并將其50 p rr0.02 s rr 中的用近似，用近似，化簡(jiǎn)可得： i rr( ) i r t( )r t （3.2.1h） 22 10 ( ) ()0 44 ss pp r tr rr rr vvidid 以同樣的方法對(duì)（3.2.1c）式進(jìn)行化簡(jiǎn)的： （3.2.1i） 2 0 0 4 s p r r r vid 聯(lián)立（3.2.1h）、（3.2.1i）兩式組成方程，解得、的值如下： p r s r （3.2.1j） 2 10 0 22 ()4 ( )

39、s vv r rv idr tr （3.2.1k） 22 10 ( ) 4() p id r tr r vv 而根據(jù)惠斯登電橋可知，整個(gè)電橋在溫度為、時(shí)的等效電阻、可分別近 1 t 0 t 1br r 0br r 似為：, ；因而，在溫度分別為、時(shí)，電橋在補(bǔ)償前恒流源供電 1 ( ) br rr t 0br rr 1 t 0 t 時(shí)的電橋輸入端電壓（簡(jiǎn)稱橋壓） 、分別可用以下式子表示: 1br v 0br v ； 11brbr vidr 00brbr vidr 則（3.2.1j）、（3.2.1k）兩式可分別化為： (3.2.1l) 22 1000 00 2222 10 ()44 ( ) br

40、s brbr vv rv v rvv idr trid vv (3.2.1m) 22 22 10 100 ( ) 4()4 brbr p id r tr vv r vvid v 從公式可以看出，在恒流源供電下，對(duì)于待補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳎恍铚y(cè)出傳感器補(bǔ)償前在 溫度、時(shí)橋壓、和零點(diǎn)輸出電壓、，即可根據(jù)公式（3.2.1l）和 1 t 0 t 1br v 0br v 1 v 0 v （3.2.1m）計(jì)算出補(bǔ)償電阻、的大小。 s r p r 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 s r p r

41、理出同樣的公式，只是符號(hào)不同而已。所以不論、如何連接，我們都可以根據(jù)以上 s r p r 公式計(jì)算出、大小和符號(hào)，然后根據(jù)其符號(hào)(以上述推理確定的符號(hào)為正號(hào))確定其 s r p r 應(yīng)連接的位置: （1） ，則并于或上；0 p r p r 1 r 3 r （2） ，則并于或上；0 p r p r 2 r 4 r （3） ，則串于或上；0 s r s r 1 r 3 r （4） ，則串于或上。 0 s r s r 2 r 4 r 經(jīng)過(guò)以上補(bǔ)償可以將零點(diǎn)誤差由幾十毫伏降低到零點(diǎn)幾毫伏。 3.3 靈敏度溫度系數(shù)及其補(bǔ)償 3.3.1 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

42、化引起的。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。影響壓阻系數(shù)大小的因素主要是 擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度和晶向。 3.3.2 靈敏度漂移補(bǔ)償措施 擴(kuò)散硅壓力傳感器滿量程輸出g與壓力滿量程時(shí)應(yīng)變電阻的最大變化成正比，即 max r 與擴(kuò)散硅p型電阻的壓阻系數(shù)成正比，而壓阻系數(shù)隨溫度的上升而減小。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)可用下式表示： (3.3.2a) 21 121 () tt t gg gtt 式中：為溫度下滿量程輸出； 2t g 2 t 為溫度下

43、滿量程輸出； 1t g 1 t 表示溫度變化1 時(shí)滿量程輸出的相對(duì)變化量。 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。因此，通過(guò)改變電橋的有效 橋壓可以實(shí)現(xiàn)靈敏度溫度系數(shù)的補(bǔ)償。恒流源供電時(shí)，當(dāng)溫度升高，欲使不變，可升高 橋路供電電壓。因?yàn)闃驂荷撸姌虻妮敵鲭妷涸龃?，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?。這可以通過(guò)在電橋的輸入端接入熱敏電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器滿 ts r 量程凈輸出為： （3.3.2b） in ts u rr r g 0 0 其中：為電橋輸入等效電阻；為熱敏電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)， 由熱敏電阻和金屬膜電阻組 0 r t

44、s r 成。 當(dāng)溫度升高時(shí)，傳感器滿量程凈輸出為：t (3.3.2c) )1 ()1 ( )1 ( 0 0 trtr tr g tsts 式中：為擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)，一般為；為熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)溫度系數(shù)。c /101 3 ts 上式對(duì)溫度求導(dǎo)，并另，由(3.3.2a)和(3.3.2b)式得出：0t （3.3.2d）（ ts ts ts rr r 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。 補(bǔ)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。經(jīng)上述補(bǔ)償后靈敏 ts r 度溫度系數(shù)可以降到 以下。c /102 4 3.4 零位溫度系數(shù)及其補(bǔ)償 零位隨著溫度的不

45、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。這一變化可用零位溫度系數(shù) 反映出來(lái)。即溫度每變化1時(shí)相對(duì)于滿量程輸出g的零r 位電壓變化量。 (3.4a) 21 21 ()( ) () popo utut r g tt () po ut g t (3.4a)式中：,分別為、溫度下的零位輸出。 2 () po ut 1 ( ) po ut 2 t 1 t 傳感器的零位溫度系數(shù)主要由力敏電阻全橋四個(gè)橋臂電阻的不對(duì)稱和各種封裝應(yīng)力引 起。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)?？捎脽崦綦娮璐?聯(lián)金屬膜電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償。 就半導(dǎo)體材料而言， 當(dāng)溫度改變時(shí)，其擴(kuò)散電阻的

46、變化規(guī)律可表示為： (3.4b)(1) t rrt (3.4b)式中；為擴(kuò)散電阻阻值；為擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)。r 當(dāng)四個(gè)橋臂電阻不平衡時(shí)， 1 0 ( ) 4 in po u utr r 溫度升高，t 1 2 0 ()(1) 4 in po u utrt r 式中為擴(kuò)散電阻等效溫度系數(shù)。于是 1 (3.4c) 1 21 0 ()( ) 4 in popopo u uututrt r 將補(bǔ)償電阻接入適當(dāng)?shù)臉虮凼顾a(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓去抵消，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)?1 po u po u 目的。 令 1 0 4 tz in popotz u uurt r 則有： (3.4d) 0 4 po tz intz ru

47、 r ut 由(3.4a)、(3.4d)兩式得出零位溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻。 2 t r (3.4e) 0 4 tz intz r gr r u (3.4e)式中；r為傳感器零位溫度系數(shù)；g為初始溫度下滿量程輸出；為補(bǔ)償電阻溫度 tz 系數(shù)。 補(bǔ)償電阻的選擇：硼擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)是正值，且與薄層電阻有關(guān)，一般為(12) ， 熱敏電阻的溫度系數(shù)是負(fù)值，而且溫度系數(shù)較大，一般為-(2070) 3 10/ c ?？梢?jiàn)它是一種很好的溫度補(bǔ)償元件。但它隨溫度變化是非線性的，為了達(dá)到 3 10/ c 良好的補(bǔ)償效果，可以把熱敏電阻與金屬膜電阻組合成電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣，該網(wǎng)絡(luò)隨溫度可 作接近線性的變化。 當(dāng)r0時(shí)，

48、網(wǎng)絡(luò)加在或橋臂上；當(dāng)r0時(shí)，網(wǎng)絡(luò)加在或橋臂上。由于 tz r 1 r 3 r tz r 2 r 4 r 的接人，g稍有變化。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 r po u 屬膜電阻即可解決。經(jīng)上述補(bǔ)償后，零位溫度系數(shù)可以降到以下。c /101 4 總結(jié)：擴(kuò)散硅壓力傳感器經(jīng)過(guò)以上提出的方法補(bǔ)償后，零點(diǎn)誤差，零位溫1 po umv 度系數(shù) ，靈敏度溫度系數(shù)，與沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)相比小一個(gè)數(shù)量 4 1 10/rc 4 2 10/ c 級(jí)。采用這種方法補(bǔ)償可以收到滿意的效果。 4 擴(kuò)散硅壓力變送器整體方案設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1 電源電路 4.1.1 傳感器供電電路 壓阻式傳感器可以用恒壓

49、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 存在環(huán)境溫度影響不能消除的問(wèn)題.壓阻式壓力傳感器的四個(gè)檢測(cè)電阻多接為惠斯登電橋 形式如圖4.1所示,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。r t r 圖 4.1 壓力傳感器電橋電路 恒壓源供電時(shí)（1） 恒流源供電時(shí)（2） 圖4.2 惠斯登電橋恒壓源與恒流源供電的比較 當(dāng)壓力傳感器測(cè)量電路使用恒壓源e供電時(shí)如圖4.2（1）所示,其輸出信號(hào)為:恒壓時(shí) 12 vuu ()() 2222

50、tt tt ee rrrrrr rrrr 2 22 t r e rr （4.1.1a t r e rr ） 是由于溫度增加而產(chǎn)生的電阻變化。四個(gè)壓敏電阻的阻值都相等，電橋輸出一方面與 t r 成正比，另一方面又與供電電壓成正比，即電橋的輸出電壓除了與被測(cè)量成正 t r rr e 比之外，同時(shí)與電橋的輸入電壓的大小與精度有關(guān)。當(dāng)溫度變化時(shí)，輸出電壓v還和溫e 度有關(guān)，即與成非線性關(guān)系，所以用恒壓源供電時(shí)，不能消除溫度的影響。v t r 當(dāng)壓力傳感器測(cè)量電路使用恒流源i供電時(shí),如圖4.2（2） ，其輸出信號(hào)為:恒流時(shí) 12 vuu ()() 22 tt ii rrrrrr （4.1.1b）2 2

51、i ri r 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。所以采用 恒流源。恒流源的特性直接影響系統(tǒng)精度，故應(yīng)選取精度高、穩(wěn)定性好的恒流器件。這里 選用lm334，電路如圖4.3所示,輸出1.0ma的恒流電流。 圖4.3 恒流源電路 （4.1.1a） 12setbias iiii 其中， (4.1.1b) 1 1 r v i r 2 2 rd vv i r lm334的溫度系數(shù)為227v/（包括偏置電流的） 。二極管的溫度系數(shù)約為2.5mv/。 (4.1.1c) 12set iii 12set dididi dtdtdt 12 227/227/2.5/uvcuvcmvc

52、 rr (溫度系數(shù)=0) (4.1.1d)0 (4.1.4e) 2 1 2.5/227/ 10.0 227/ rmvcuvc ruvc 有了和的比值，計(jì)算和的數(shù)值則和設(shè)置電流的給定值有關(guān)。在t= 25 1 r 2 r 1 r 2 r set i 時(shí)設(shè)定電流計(jì)算公式如下所示，假定整個(gè)二極管（vd）的正向壓降是0.6v，兩端的電 1 r 壓（64mv+ 偏置電流的5.9） 。66.7 r vmv 12setbias iiii 12 rrd vvv rr (4.1.1f) 11 66.766.70.6 10.0 mvmvv rr 由上式可得： （4.1.1g 1 0.134 set v i r ）

53、恒流電流為1.0ma，則，所以。因?yàn)椋?1 0.134 1.0 set v ima r 1 134r 21 10rr 所以。取標(biāo)稱值，。 2 1340r 1 150r 2 1470r 同理，對(duì)于為放大器等器件提供激勵(lì)的電流源也如圖4.3所示.恒流源電流約為 3.0ma，即,計(jì)算得,取標(biāo)稱值，所以。 3 134 . 0 0 . 3 r v maiset 45 3 r 3 47r 4 470r 此時(shí)。2.85ima 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(guān)。恒流源將24vdc直流供電轉(zhuǎn)換成傳感器電橋所需的恒定電流，當(dāng)傳 感器的橋臂電阻發(fā)生變化時(shí)

54、，供電電源仍保持恒定的電流供電，而電橋由于橋臂電阻值的 變化，引起惠斯登電橋有變化的電壓輸出，變化的電壓一般是毫伏級(jí)的變化。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。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。同時(shí)，傳感器輸出的毫伏級(jí)信號(hào)也不至于線路短路而產(chǎn)生火花。這比通常的高 電壓供電要相對(duì)安全許多，配上安全柵則可以很好的應(yīng)用于一些需要安全的場(chǎng)合。但只要 適當(dāng)選擇應(yīng)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(diǎn)。 4.1.2 信號(hào)處理供電電路 圖 4.4 所示為提高單元負(fù)載能力的單元

55、電路。d3d4 為兩個(gè)穩(wěn)壓二極管，op07 芯片 是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運(yùn)算放大器集成電路。由于 op07 具有非常低的輸入失調(diào) 電壓（op07 最大為 25v） ，所以 op07 在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。op07 同 時(shí)具有輸入偏置電流低（op07 為1.8na）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。為 2 i 恒流源輸出電流，約為 2.85ma,vcc=5v,兩個(gè)穩(wěn)壓二極管平分電壓，使得兩端的電壓 14 r 為 2.5v，+2.5v 信號(hào)地與地之間的電壓也為 2.5v，即三極管 q1 兩端

56、的電壓為 2.5v。由于 從+2.5v 信號(hào)地輸出的電壓是恒定的，而也是固定不變的，所以此也為恒功率放大器。 2 i +2.5v 信號(hào)地可以為信號(hào)處理電路提供恒定電壓。 圖4.4 提高單元負(fù)載能力單元電路 4.2 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,滿足計(jì)量要求。在這個(gè)領(lǐng)域里,首選就是采用專用精密集 成運(yùn)算放大器,然而精密集成運(yùn)算放大器價(jià)格較高,芯片供電多采用雙電源對(duì)稱供電,對(duì)供 電電路要求較高,應(yīng)用上不太方便。而lm124 系

57、列集成運(yùn)放是4 組獨(dú)立的高增益的、內(nèi)部 頻率補(bǔ)償、輸入偏置電流是溫度補(bǔ)償?shù)?、單位增益帶寬是溫度補(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,電源電壓可以從+ 5 v 一直用到15 v ,而且驅(qū)動(dòng)功耗 低,每一組運(yùn)放差模增益可達(dá)到100 db。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。同時(shí)要求放大器線性要好,增益穩(wěn)定,溫 度影響小,工作穩(wěn)定。以lm124 為主要器件，通過(guò)外圍電路的合理設(shè)計(jì), 完全能滿足高放 大倍數(shù)、高穩(wěn)定性的儀器儀表信號(hào)的放大處理要求。 lm124的管腳接線圖如下所示。 圖4.5 lm124管腳接線圖 4.2.1 電

58、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。從而不 吸收傳感器的輸出電流。放大電路如圖4.6所示,這一電路具有很高的輸入阻抗和很高的共 模抑制比和開(kāi)環(huán)增益；失調(diào)電流、電壓、噪聲和漂移都很小，a1,a2組成同相輸入差動(dòng)電 路,具有輸入阻抗大,抑制共膜信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),第二級(jí)放大電路具有進(jìn)一步提高發(fā)大倍數(shù),抑制 共膜信號(hào)干擾的優(yōu)點(diǎn),調(diào)節(jié)可變電阻rw的值就可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。 在理想情況下，即假設(shè) 集成運(yùn)放a1,a2,a3 都具有理想運(yùn)放的特性。 圖 4.6 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)， 1 u 2 u w rr 引入了深

59、度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩運(yùn)放a1、a2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有 12ab uuuu （4.2.1a） 1212 2 ooab www uuuuuu rrrr （4.2.1b） 故得 1212 2 () w oo w rr uuuu r （4.2.1c） 根據(jù)式 2 021 1 () oo r uuu r （4.2.1d） 可得，第二級(jí)減法器放大電路 2 21 1 2 () w o w rrr uuu rr （4.2.1e） 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 w w r rr r r2 1 2 比無(wú)窮大。 該放大器第一級(jí)是具有深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋的電路，所以應(yīng)

60、具有輸入阻抗高、輸出阻 抗低、輸入輸出失調(diào)小以及溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。若 a1、a2 選用相同特性的運(yùn)放，則它 們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再通過(guò) a3 組成的差分式電路，可以互相抵消， 故它有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓，同時(shí)該電路有較高的差模電壓增益。 為保證在使用很長(zhǎng)傳輸線時(shí)仍達(dá)到良好的性能，所有相同阻值電阻之間應(yīng)匹配良好。并且 應(yīng)嚴(yán)格挑選幾個(gè)外接電阻、。r 1 r 2 r w r a1、a2 可外接電阻，可在 010k 之間任取，這里取為。這里未畫(huà)出。 0 r 2 0 r 由于惠斯登電橋的滿量程輸出為 1020mv，希望放大后輸出信號(hào)在 12v 之問(wèn)，需要放 大器的增益