壓力傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文范文

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1電路的設(shè)計(jì)

1．1傳感器激勵(lì)的設(shè)計(jì)硅壓阻式壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，可在恒壓或者恒流模式下工作。由于硅壓阻式傳感器很容易受到溫度的影響產(chǎn)生漂移，在恒壓模式下隨著溫度的變化，傳感器本身電阻R的變化會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，因此，選擇恒流源作為傳感器的激勵(lì)［6］。傳感器激勵(lì)源的穩(wěn)定與噪聲大小直接影響著壓力敏感元件的輸出，因此，在確保低溫漂、低噪聲、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的選型原則下，選擇ADR4525基準(zhǔn)源、AD8506運(yùn)放構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路以及反饋電路。圖2所示為傳感器激勵(lì)原理框圖。

1．2溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路用于對(duì)溫度發(fā)生變化時(shí)，敏感元件和構(gòu)成信號(hào)調(diào)理電路各主要元器件的輸入輸出特性的補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償電路提供兩類誤溫度漂移補(bǔ)償:零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償與靈敏度溫度漂移補(bǔ)償［7］。理想傳感器的輸出量與輸入量關(guān)系。補(bǔ)償?shù)脑頌閷，k調(diào)整到精確的某個(gè)值，最大限度消除溫漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非線性成分。

1．2．1零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償由溫度引起零點(diǎn)變化而造成輸出變化的元器件中，壓力敏感元件所占比重最大，對(duì)零點(diǎn)補(bǔ)償原理如圖3所示，溫度檢測(cè)元件的輸出作為補(bǔ)償端與待補(bǔ)償信號(hào)做加減運(yùn)算［8］，最終輸出信號(hào)即為零點(diǎn)補(bǔ)償后輸出。該部分設(shè)計(jì)中，溫度檢測(cè)元件選擇溫度傳感器AD590，AD590封裝下、測(cè)量范圍寬、輸出線性，輸出信號(hào)噪聲僅為40pA，補(bǔ)償信號(hào)不引入更多的噪聲;同時(shí)由于溫度傳感器的輸出以電流的形式輸出，因此，需要通過(guò)高精密電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，與待補(bǔ)償信號(hào)做加減運(yùn)算，電阻器阻值的大小根據(jù)測(cè)量的零點(diǎn)漂移大小計(jì)算。

1．2．2靈敏度溫度漂移補(bǔ)償隨著溫度的變化傳感器的滿量程輸出也會(huì)隨之變化(即增益發(fā)生變化)，從輸出來(lái)看，該變化可歸一為壓力敏感元件的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)，需對(duì)傳感器的增益特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償原理如圖4所示，溫度檢測(cè)元件檢測(cè)到溫度變化后，及時(shí)調(diào)整激勵(lì)源的基準(zhǔn)［9］，調(diào)整策略與增益溫度特性互補(bǔ)，即增益降低，則增強(qiáng)激勵(lì)源的基準(zhǔn)，由激勵(lì)源輸出相應(yīng)的恒流;同時(shí)可在敏感頭的橋臂上串、并聯(lián)電阻器調(diào)整增益特性。

1．3信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路用于將壓力傳感器輸出的差分信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，原理圖如圖5所示。壓阻式傳感器輸出的電壓信號(hào)大多為mV級(jí)，采用儀表放大器AD8553對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，AD8553為軌到軌輸出，最大失調(diào)電壓僅為20μV，在頻響0．01～10Hz范圍內(nèi)噪聲峰峰值為0．7μV，其中，R應(yīng)大于3．92kΩ;同時(shí)由于SM5420輸出的為差分信號(hào)，在儀表放大器的輸入端需要添加抗射頻干擾的濾波電路，如圖5所示，若儀表放大器輸入前濾波電路匹配不佳，輸入的某些共模信號(hào)將轉(zhuǎn)換為差模信號(hào)，因此，通常情況下所選的C2至少比C1或者C3大10倍，用于抑制濾波電路不匹配帶來(lái)的雜散差分信號(hào);基準(zhǔn)源ADR4525為儀表放大器提供2．5V的參考電壓，用于調(diào)整信號(hào)的零位。儀表放大器的輸出信號(hào)需要進(jìn)行濾波處理，這里采用MAX295芯片進(jìn)行濾波，該芯片為8階巴特沃斯濾波器，操作簡(jiǎn)單，只需提供輸入時(shí)鐘CLK則可任意控制濾波器的截止頻率，輸入時(shí)鐘頻率與截止頻率的關(guān)系為50︰1。

1．4數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)該部分電路主要是將補(bǔ)償后的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器AD8330將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，AD8330為16位采樣精度，采樣率最高可達(dá)1MHz;采用已經(jīng)使用成熟的微型處理器C8051F410進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，微控制器通過(guò)SPI接口采集到量化后信號(hào)，同時(shí)通過(guò)RS—485總線轉(zhuǎn)USB適配器與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

2傳感器標(biāo)定與測(cè)試結(jié)果

壓力傳感器的標(biāo)定主要是對(duì)零點(diǎn)和靈敏度的標(biāo)定。將壓力傳感器安裝到壓力腔體內(nèi)，共同放入高低溫試驗(yàn)箱，打開(kāi)高低溫試驗(yàn)室箱并設(shè)置11個(gè)間隔均勻的溫度值，在不同的溫度梯度下使用壓力泵對(duì)壓力腔體打壓，并記錄壓力傳感器在零位和滿量程時(shí)的輸出值，采用最小二乘法對(duì)記錄的值進(jìn)行擬合［12］，得到傳感器的零點(diǎn)溫度漂移值和靈敏度溫度漂移值。根據(jù)得到的值調(diào)整補(bǔ)償電路使傳感器的輸出滿足要求。將經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的壓力傳感器放入高低溫試驗(yàn)箱，高低溫試驗(yàn)室箱內(nèi)溫度設(shè)置為25℃，在量程范圍內(nèi)設(shè)置10個(gè)均勻的壓力測(cè)試點(diǎn)，將測(cè)試結(jié)果記錄到表1中，采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得到補(bǔ)償后的傳感器靜態(tài)特性。通過(guò)Matlab擬合后得到傳感器輸入與輸出的線性關(guān)系式為y=0．020x+2．454，如圖6(a)所示;經(jīng)過(guò)計(jì)算傳感器的靜態(tài)特性為非線性誤差為0．043%，遲滯為0．062%，重復(fù)性為0．027%，精度為0．085%，如圖6(b)所示，最大誤差位于點(diǎn)0kPa處，偏差為0．00154V，故非線性度小于1．54/(20．29×175)=0．043%，滿足設(shè)計(jì)的要求。在測(cè)試的過(guò)程中，由于一天當(dāng)中大氣壓強(qiáng)的變化測(cè)試結(jié)果會(huì)受到影響。

3結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合大量的工程實(shí)踐，所設(shè)計(jì)的壓力傳感器的校準(zhǔn)系統(tǒng)已成功用于某飛行器氣動(dòng)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)單。在微型化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了飛行器表面壓力場(chǎng)分布的實(shí)時(shí)性測(cè)試，并且測(cè)試精度提高到了0．1%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:精度達(dá)到了要求，傳感器的溫度性能得到了改善，為飛行器和其它武器裝備在惡劣環(huán)境下的研究提供了保障。

作者：石軍輝李永紅王恩懷單位：中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院