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压力传感器范文1
【关键词】 光纤光栅 传感器 压力
1 引言
光纤传感器是当今光纤测量技术领域研究的热点课题之一，用这种结构新颖的传感器实现的测量系统，在测量现场可视为“全光学”式，在易燃易爆工况下尤为适用。本文针对特殊工况下的测量现场要求，提出基于光纤传感技术的分布式压力监测系统，它与传统的测量系统相比，测量现场完全无电，可应用于易燃易爆场合。
2 传感器原理及结构
2.1 光纤光栅传感原理
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅。光纤布拉格光栅的结构如图1所示。入射进光纤光栅的宽带光，只有满足一定条件的波长的光能被反射回来，其余的光都被透射出去。光纤光栅传感的基本原理是利用光纤光栅的有效折射率和光栅周期对外界参量的敏感特性，将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动，通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。
根据光栅理论，对满足布拉格条件的光波产生反射，该光波的波长称为光纤光栅的中心波长，与折射率和光栅周期的关系为：
（1）
式中： 为反射波波峰处波长，即后向反射波长;Λ为光栅周期; 为光纤模式的有效折射率。
从上式可以看出，改变光栅的有效折射率或光栅周期，就能改变光栅反射中心的波长。利用这一特性，可以将光纤光栅用于许多物理量的测量。当光栅所受应变（应力）和其周围温度发生变化时会导致其芯区的有效折射率n和光栅周期Λ发生变化，从而使布拉格波长发生偏移[1]。通过检测反射波长的偏移量，即可获得相应的应变（应力）和周围温度的大小。
当环境温度不变，光纤光栅只受应变作用时，其中心反射波长的相对变化为：
（2）
对于普通光纤=0.22。对于裸光栅应变系数为1.2pm/。
对于裸光栅而言，由于剥掉光纤涂覆层造成的损伤，通常当光栅被直接拉伸到谐振波长漂移2nm左右时，光栅即被折断。为了增加光栅的韧性，常常将光栅粘贴在某个附体上，这样光纤光栅拉伸漂移量可达到数十纳米。
2.2 结构
该FBG压力传感器主要由圆盘基座，传感探头和碟形弹簧组成。传感探头是一个弹性元件，在其表面有一凹槽，用美国生产的型号为EPO-TEK 353ND胶将光纤光栅粘贴在凹槽内。用蝶行弹簧将传感探头安装在圆盘基座里，在圆盘基座安装多个传感探头，并将其串接就构成了分布式压力传感器。
3 实验及结果
光纤光栅压力传感系统的基本构成由两大部分组成：传感光栅、解调仪，示意图如图2所示。待测量加在传感光栅上，光源出射的光在FBG中传输时，Bragg反射光波的中心波长产生漂移，经耦合器导入解调仪，在分析仪中可检测出，从而确定待测量。
对传感器进行压力测试实验，实验过程分别对每个FBG进行测试压力，由0-10Kg，每次增加1Kg，压力由电子秤加载，光纤光栅的中心波长由解调仪检测。
实验选择的光纤光栅的中心波长分别为1285nm，1291nm和1297nm。实验数据如表1示。
从图中，可以得到6个结论。
（1）检测范围：实验中设计的传感器的测量范围最大10kg（根据需要，测量范围可设计得大于12kg，但不能太大），实际测量中稍大于12kg也可以测量，但灵敏度很差，测量的数据很不准确。
（2）线性度：从0kg到10kg区域，FBG1的线性拟合度达0.98767， FBG2的线性拟合度达0.99018，FBG3的线性拟合度达0.9895。在这一测量范围具有很好的线性度。
（3）灵敏度：从0kg到10kg区域，FBG1的灵敏度为0.4727nm/kg，FBG2的的灵敏度为0.30601nm/kg，FBG3的的灵敏度为 0.39561nm/kg。
（4）精度：在本实验中，影响测量精度的主要因素有两方面：一是解调仪的测量精度;二是实验装置自身引起的误差。而且主要取决于解调仪，实验采用的解调仪的测量分辨率为1pm.精度为±5pm。
（5）重复性：经过反复多次测量，所得各条曲线都很靠近，证明其重复性很好。
（6）对压强具有很好的响应性，没有发生迟滞现象。
压力传感器范文2
关键词 单片集成 压力传感器 信号处理
中图分类号：TP212 文献标识码：A
0前言
随着科学技术的迅速发展，传感器技术也逐渐应用到国民经济的各个领域，从汽车电子到医疗设备，传感器技术随处可见。因此，提高传感器和检测电路的整体性能是非常有必要的。集成单片硅传感器，有效地将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件，既减少了成本，又提高了可靠性。
1电路硬件设计
压力传感器混合信号调理电路包括模拟部分和数宇部分。模拟电路包含：恒流源电路、放大电路和滤波电路。其中，恒流源电路为压力传感器供电；放大电路对传感器的输出信号进行放大并归一化；滤波电路抑制放大输出信号中的干扰。数宇电路包括开关量控制电路和RS232通信电路，RS232通信电路主要用于下位机与上位机的通信。混合信号调理电路整体框图如图1所示。
1.1恒流源电路设计
用恒流源供电时，由于采用的传感器具有灵敏度温度自补偿功能，无需外加电路补偿，简化了电路，节省了成本，恒流源供电电路如图2所示。
图中C点电压Vc是稳定的电压，由运放的“虚短、虚断”原理可知：B点电压VB=VC，则给传感器供电的电流激励I=VB/R需要注意的是，运算放大器的负载包含传感器电阻桥和电阻R，其中电阻桥1、3端所对应的阻值很大，同时电阻桥的电阻值随温度而改变，因此这两端的压降也会很大，再加上R的压降后会更大，因此运算放大器输出电压的最大幅值必须足够大。
1.2运算放大电路设计
仪表放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比。通常，由集成运算放大器构成的仪表放大器价格较低，适应性较宽；单片式结构在生产时已经调整到很高的精度，但是价格比较昂贵。为了降低成本，采用三运放仪表运算放大电路。
1.3滤波电路设计
干扰抑制包括RC滤波电路以及软件编写的数宇滤波。RC滤波电路是为了抑制广谱噪声和模数转换前的抗混叠噪声；而软件编写的数宇滤波是为了使单片机的采集信号更准确。
RC滤波电路采用二阶RC有源低通滤波电路，RC有源滤波器的谐振频率可由RC网络任意设定，网络的损耗由运算放大器补偿。
1.4 RS232通信电路设计
RS232通信是PC机与单片机用2根线方式进行全双工异步通讯。由于AVR单片机输入输出电平为TTL电平，PC机配置的是RS232标准串行接口，二者电气规范不一致，因此必须进行电平转换。MAX232芯片是一种新类型的电平转换器，仅需+5 V电源供电。这种电平转换器可将2路TTL电平转换成RS232电平，也可将2路RS232电平转换成TTL电平。
2软件设计
软件分2部分：单片机程序和上位机串口通讯程序。单片机程序要完成上电初始化、数宇滤波、ADC采集、开关量控制和与上位机的通讯。上位机将设定的开关量通过RS232电路传给单片机，并保存在EEPROM中，传感器输出的压力值经过混合信号调理电路放大以及归一化后，单片机对其进行模数转换，将转换得到的结果与EEPROM中的值比较，根据结果所在的开关阂值范围，打开相应的开关量。
上位机串口通讯程序实现开关量的设定功能。通讯过程中数据都是以宇符型进行传输，这样就能避免控制宇符和数据的重复，使通讯更安全。上位机的程序是用Visual C ++提供的MFC编写，MFC中的MSComm控件通过串行端口传输和接收数据Csl，为应用程序提供串行通讯功能。
3总结
本文提出对称结构的放大器结构具有较高的共模抑制比，能够减小传感器输出的零点漂移，并可通过调零电阻对零点漂移进行一定的补偿。而且输出线性度良好，能够很好地处理传感器的弱信号。本文工作对高性能单片压阻式压力传感器的设计具有重要的指导意义。
参考文献
[1] 程维维.基于薄膜体声波谐振器（FBAR）技术的无线传感集成系统研究[D].浙江大学，2015.
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关键词：扩散硅；惠斯通电桥；传感器
根据压力传感器工作原理的不同，压力传感器常分为机械膜片电容型、硅膜片电容型、压电型、应变型、霍尔效应、硅压阻式压力传感器等，压阻式压力传感器又有扩散硅型和应变片型传感器之分，其中扩散硅压力传感器因其低成本、高可靠性而在压阻式压力传感器中占据了越来越重要的位置。目前汽车用MEMS压力传感器就采用了压阻式压敏原理制成，因其灵敏度高、线性度好、稳定性好、结构简单、容易实现批量生产、易于利用标准的IC（Integrated Circuit）工艺技术实现集成化等成为目前应用最广泛的MEMS产品之一。
一、硅的压阻效应
硅半导体的压阻效应是指材料在受到应力的作用时，其电阻或电阻率随应变的变化而变化的现象。应变材料的应变与电阻变化之间的关系如下：
式子中π为材料的压阻系数，E为材料的杨氏模量，ε为材料的应变率， v为材料的泊松比。由此可见，硅半导体阻值变化的原因有两方面：其一是由几何尺寸变化而引起的；其二是由载流子运动状态的改变而引起的。
实验对比发现，硅半导体载流子运动状态的变化而引起其电阻值的改变要远大于因其本身几何尺寸的变化所引起其电阻值的改变，在数值级上一般要多出2个数量级。所以在公式中G值的大小主要是由πE决定。其原因是半导体材料硅在单向应力作用下，一方面会发生纵向尺寸的变化，另一方面还会引起横向尺寸的变化，这将使晶体的平衡性发生改变，从而使其能带结构也发生改变，造成电子在能谷间发生转移，导致半导体材料硅的电阻率也发生改变。对于单晶硅等半导体材料而言，在单向应力作用下，其能带的改变特别显著，这就引起沿其晶体在某一方向上产生特别明显的压阻效应。
二、压力传感器的信号输出
通常压力传感器的信号输出采用惠斯通电桥结构的电路，为了提高满量程输出、减小零点的温度漂移和提高线性度，我们采用灵敏度最高的惠斯通全桥电路，如下图所示。
在没有施加压力的时候，由于R1、R2、R3、R4制作工艺相同，四个电阻条的阻值基本相同，温度对它们的影响基本一样，我们设定为R，此时惠斯通电桥的输出电压为零。当有外界均布载荷P作用于传感器膜片上面时，膜片发生变形，每个电阻都会发生变化，其中于R1和R2减小，R3和R4增加。此时惠斯通电桥状态被破坏，传感器的输出电压不再为零，等于B、D两点之间的电位差。
其中Uo为输出电压，Ui为输入电压。
三、压力传感器的接口电路
利用压力传感器对压力的感应特性，将压力信号转换为模拟的电压信号输出，此时的电压信号很小，必须经过放大器把信号放大，然后由A/D转换器转换为数字信号，再通过单片机对数字量进行处理，计算出实际的压力值，并通过液晶屏显示。整个电路的设计主要包括4大部分：电桥信号电路、信号放大电路、A/D转换电路和LCD显示电路。
其中U0为输出电压，Ui为输入电压。
四、电桥放大电路
众所周知，利用硅的压阻效应所输出的电压信号较弱，所以我们对其输出的电压信号先经过放大电路INA118对其进行放大处理，然后才能通过A/D 转换处理，得到一组数字信号。我们采用INA118放大电路对其信号进行放大处理，INA118放大电路是由3个运算放大器构成差分放大电路，为了提高其可靠性，我们对其内置输入进行过压保护，且可使用外置大小不等的电阻实现多种增益（从1到1000），因而扩大其应用范围。
我们在电路图中，通过对脚1和脚8之间外接一电阻Rg，可以实现不同的增益量，该增益量的控制范围可从1～1000，极大提高了其应用范围。电阻Rg 为式中G的增益。但由于Rg的稳定性和温度漂移等特性都会对其增益产生不同的影响，因此我们为了需要获得高精度增益，在实际应用中对Rg的稳定性等方面的性能要求也比较高，比如我们可以采用高精度、低噪声的金属膜电阻，来降低其不利的影响。此外，高增益的电路设计中的Rg 值较小，如G=100时的Rg 值为1.02 kΩ；G=1000时的Rg值为50.5Ω。
五、A/D7715接口电路
为实现对压力实时变化的连续监测，我们在设计中采用16位的A/D7715对输出电压进行采样测量。A/D接口电路如下图所示。
其中A/D780提供2.5V高精度基准电压信号。P3.1脚提供A/D工作所需的时钟，P1.4和P1.5脚接收和发送通讯数据，P1.6是片选信号，P1.7接DRDY，AT89S52可以通过查询P1.7的状态来判断是否可以读取A/D转换结果。
六、单片机接口电路
我们在设计单片机接口电路中采用AT89S52单片机接口电路。由于AT89S52是一个CMOS8位单片机，其主要的优点是低功耗、高性能，并且可兼容标准MCS-51指令系统，以及采用80C51引脚结构。在单片机接口电路中得到广泛的应用。其单片机接口电路如下图所示。
我们设计使用的复位电路主要由22μF的电容，1 kΩ的电阻及IN4148二极管组成。这种复位电路不但可满足单片机可靠复位，而且具有降低复位引脚对地阻抗，增强单片机复位电路的抗干扰能力等优点，基本可以满足我们设计需求。电路中二极管的作用是可实现快速释放电容电量的功能，并且能够满足短时间复位的要求。其输入信号为经7715A/D转换的模拟电压信号，单片机可对其进行计算处理后输入到LCD1602 液晶显示，显示出相应的压力值，直观明了。
七、整体系统的软件设计
1.系统主程序流程图
我们对系统提供电源电压后，首先主程序可完成对系统初始化程序，初始化程序包括A/D转换器、串行口、中断等工作状态的设定，给系统各变量赋予初值，显示上次设定值等内容，并执行相应的功能子程序优化。当按下启动键后，系统将根据其初始化设定值、校正值等参数来计算对应的数字量，并实现自动输出功能。
2.系统的模数转换程序
模数转换程序首先对AD7715芯片进行初始化程序，把相应的程序代码写入内部寄存器，这样才能读写其他寄存器的信息。一般AD7715的寄存器是8位寄存器，只有在一些特殊的场合才使用16位寄存器，比如零点校准寄存器、数据寄存器和满量程校准寄存器等。系统程序分别写入数据信息，并判断DRDY是否为零，如果为零则读出寄存器数据，如果不为零则再次写寄存器。
3.系统的1602 显示程序
系统的1602采用的显示程序为定时中断0来实现逐位的动态显示，这样不但不用担心定时刷新显示等问题，而且可使LCD 输出信号更加稳定，所以此显示子程序具有简单灵活、适用性广等优点。LCD1602的数据引脚与控制引脚与单片机的I/O口直接相连，DB0～DB7分别连接单片机的P1.0～P1.7口，这样可使数据并行传输速度加快，而Vo亮度调节引脚则直接接地，显示最亮状态。
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关键词：拖线阵，压力传感器
1.引言
压力传感器种类繁多，广泛应用于各个行业，常用的压力传感器感知探头上的压力变化，通过电路转换并引入相关补偿，将力信号转化为电信号，从而测得所在位置处的外界压力。
拖线阵是一种拖曳在舰艇远后方水域、可变深的大孔径线状声纳，通常比重与海水相当。拖线阵内部布置有各种声学和非声学传感器，以及相应的采集传输系统和电源系统。一般拖线阵内需要布置若干个压力传感器来获取拖线阵在水中运动时的深度信息。拖线阵内部需要填充液体或固体介质，以便使拖线阵保持一定形状并满足密度要求。
2.压力传感器的传统封装方式
在拖线阵中，传统的封装方式是将压力传感器浸没于护套内的填充介质中。拖线阵外界压力作用在护套上，通过介质传递到压力传感器探头，来测量拖线阵外部压力并转换为深度。
P= P0+Pm(1)
其中——
P：压力传感器探头测得的压力值；
P0：拖线阵外界的真实压力；
Pm：拖线阵护套、介质等因素产生的压力变化。
对于内部填充液体介质的拖线阵而言，液体可以视为不可压缩，压力可以在其内部传播，Pm主要受护套材料、初始充油压力影响。在拖线阵中制作过程中为了使护套外观更接近于圆形，或为了满足密度设计要求，会存在一个初始油压Pm（0.1~0.4MPa），由于聚氨酯护套会在一定温度和受力状态下发生蠕变，因此Pm是一个变化量，需要经常性地对传感器输出进行测量，扣除Pm的影响，来使得P接近P0。。
为了测量传统方式下对Pm压力传感器输出的影响，制作了一条试验阵，内部按照传统方式布置了一个压力传感器，然后静置在空气中。。该压力传感器输出如图1所示，可以看到在长时间存放过程中，由于护套发生蠕变、膨胀，护套内部填充介质压力下降，导致压力传感器的输出值显著减小。拖线阵实际使用过程中，会受到轴向拉伸和径向压力，再加上高温等因素影响，Pm变化更加明显，需要经常性测量该输出值，来对传感器输出公式进行修正，非常不便。
图1 传统方式传感器输出随时间变化
对于固体阵而言，如果将传感器探头浸没于固体填充材料中，由于固体填充材料自身具有一定的弹性模量，会影响外界压力向传感器探头的准确传递，此时传感器测得的压力值和变化均与外界环境真实情况有较大差异。
由此可见，传统的压力传感器封装方式在液体拖线阵中由于护套蠕变等影响，需要定期校准，在固体拖线阵中则难以测得真实值，这些都影响了它的实际应用。。
本文提出一种新的压力传感器封装方式，可以准确测量拖线阵所在位置的压力，从而得到真实深度。
3.压力传感器新的封装方式
按照前文分析，导致压力传感器传统封装方式不能精确测量外界压力的根本原因在于，压力传感器探头未能与外界环境直接接触，中间存在的若干环节阻碍了压力的真实传递。针对这一根本原因，新的封装方式采用传感器探头直接与外界接触，可以准确测量外界压力。
新的封装方式如图2所示，在不改变现有传感器型号的前提下，使传感器探头直接与外界介质接触，同时解决了由此带来的密封问题。
图2 新封装方式示意图
同样制作了一条试验阵，在新的封装方式下，压力传感器在空气中的输出如图3所示，由于不再受到内部填充介质的影响，压力传感器的输出稳定，其输出可以真实反映外界介质压力。为了验证新的封装方法的密封可靠性，进行了静态加压试验，最大压力达到3MPa，如图4所示。
图3 新方式传感器输出随时间变化
图4 新方式静态压力试验
在动态拖曳过程中，护套外流体边界层的动态压力变化也会被传感器感知，由于新的封装方式需要在光滑护套上加装两道金属圆环，并在护套上开孔，会影响护套表面的压力分布，因此需要在动态拖曳试验中对此影响进行评估。将两个同型号的传感器布置在同一条拖线阵中，分别采用传统封装方式和新封装方式，以便在相同状态下进行对比。
图4和图5分别是9m/s速度下传统方式封装方式和新封装方式的的测量结果，可以看到新的封装方式由于护套不光顺引起的压力变化（波动幅值）并不明显（传统方式输出均值较小是因为没有对其进行校准）。
图4 传统封装方式动态拖曳数据
图5 新封装方式动态拖曳数据
4.结论
压力传感器对于水下运动的拖线阵而言非常重要，是操作人员了解拖线阵工作深度的重要途径，其数值直接参与信号处理，传感器数出值是否真实有效直接影响声纳性能。本文提出了拖线阵中压力传感器的一种新的封装方式，并得到了以下结论：
（1）传统封装方式下，在液体拖线阵中由于护套发生蠕变，需要经常对传感器输出进行校准来使输出接近真实值；在固体拖线阵中，由于填充材料自身弹性模量的影响，传感器的输出值与真实情况会有较大差异。而新的封装方式将传感器探头直接与外界介质接触，从根源上避免了传统封装方式的缺点。
（2）新的封装方式需要使传感器探头直接与外界介质接触，会带来密封问题，本文提出的方法对此进行了有效解决，并在静态压力试验中进行了验证。
（3）动态拖曳试验中，表面金属圆环及开孔的存在并没有明显影响压力传感器输出，本文提出的新方法在动态拖曳中也可以满足使用要求。
新的封装方式克服了传统方式的弊病，能够真实反映外界介质的压力变化，不再需要经常性的校准，密封性能可靠，满足动态拖曳的需要，可以代替传统封装方式应用到拖线阵中。
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【关键词】电容式压力传感器；误差；干扰
0.概述
我们所处的时代是信息时代，信息的获取、检测要靠传感器和传感技术来实现。传感器越来越广泛地应用于航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工等技术领域。电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。压力传感器是目前所有传感器种类来说，是使用最多的传感器，它的市场占有量也不不可估量的，那么它的各项技术也得根据市场需要，进行不断的改进和完善，以适应各个领域越来越苛刻的环境。
1.电容式压力传感器工作原理及其数学模型
1.1结构介绍
电容式压力传感器主要由一个膜式动电极和两个在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成差动电容器即敏感元件。敏感元件是由隔离膜片、电容固定极板、测量膜片、灌充液组成，以测量膜片为中心线轴对称，测量膜片与两侧的金属模构成一对相等的平行板电容。如图1所示。
图1 敏感元件结构图
1.2工作原理
当被侧压力或压力差作用于膜片并产生位移时，形成的两个电容器的电量一个增大、一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力差相对应的电流或电压的变化。
图2 电容式压力传感器工作原理图
1.3压力—电容转换
如图3所示，被测压力通过高压侧隔离膜片，加到灌充液，液体流过瓷心孔进入腔室，将压力加到测量膜片上，膜片受力后发生位移，测量膜面与两侧构成的电容值随之变化，低压侧电容增加，高压侧电容减少。
图3 平行板电容器
厚膜片位移与差压转换关系如下：
d=··P=KP d≤t （ 公式1）
其中：
μ：伯桑系数；R：膜片周边半径；d：膜片中心处位移
t：膜片厚度；P：被测差压；E：膜片材料的杨氏弹性恒量
薄膜片具有初始张紧，其位移与差压转换公式如下：
d=·P=K'P （公式2）
差压作用于室时，中心膜片的位移 与差压成正比。
1.4位移—电容转换
由于固定极板凹面直径很大，可视为平行板电容器，平行板电容C=。
ε为平行板中间介质的介电常数；
A平行板电容的面积；
d平行板电容两端间距。
PH：高压室所受压力；PL：高压室所受压力。
当两边压力相等时即PH=PL，初始电容量C=C=K
当PH>PL，测量膜片位移为d，此时低压侧的电容为C=K（d0-d），高压侧电容为CH=K（d0+d），取=
d·K2=
（公式3）
由公式2、公式3可知P·K·K=
（公式4）
改变结构系数K1即可实现不同量程的测量，将位移量转换成
的变化。
1.5电容比—电流的转换
解调器将流过CL、CH的交流电流解调成直流电流IL、IH，原理图如图4
图4
2.电容式压力传感器的性能
2.1静态特性
当被测量X不随时间变化，或随时间的变化程度远缓慢与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度时，传感器的输出量Y与输入量X之间的函数关系。因为这时输入量与输出量都和时间无关，所以他们之间的关系即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量做横坐标把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2.2动态特性
当被测量X随时间变化，而且随时间的变化程度与传感器固有的最低阶运动模式的变化程度相比不是缓慢的变化程度时，传感器的输出量y与输入量X之间的函数关系。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
3.影响电容式压力传感器精度的因素
电容式压力传感器直接接触或接近被测对象而获取信息，与被测对象同时都处于扰的环境中，不可避免地受到外界的干扰。压力传感器如果说它的抗干扰能力不过硬，那么在它的价值上，也是个相差很大的，因为的应用范围受了很大的限制，所以市场前景也是得不到扩大的，提高抗体干扰性是不容忽视的问题。
3.1温度影响
由于电容式传感器极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线性膨胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。为减小这种误差，应尽量选取温度系数小和温度系数稳定的材料，如电极的支架选用陶瓷材料，电极材料选用铁镍合金。近年来又采用在陶瓷或石英上进行喷镀金或银的工艺。化工冶金锅炉等高温环境下的压力测试还可以通过改善敏感元件电容器的物理特性改变传感器的尺寸进一步提高传感器的工作范围灵敏度等。
3.2静压影响
金属电容两边受压，压力经隔离膜片传递到内部中心膜片上。从图5可以看出传感器内部的压力从中心向四周方向分布，X方向的应力得到全部抵消，但是Y方向的应力q全部加在传感器的外壳上。由于结构尺寸的原因，越靠近中心结构越单薄，传感器的抗压能力越差，尤其是中心膜片处结构强度最为薄弱。在高静压下，中心点处产生一个最大的扰度。在高静压下中心膜片向外的张紧力增加，膜片的紧绷程度相对工作静压为零时得到加强，并且工作静压越大其紧绷程度越大，中心膜片随差压的位移变小，产生误差。并且静压影响绝对误差，工作静压越大其量程的静压误差越大。至于零位的静压误差，则表现为方向的不确定，这主要由焊接应力和传感器的个性相关，不具有规律性。通过提高制造加工精度来减小静压误差。
图5 应力分布和扰度变化图
3.3边缘效应的影响
边缘效应不仅使电容传感器的灵敏度降低，而且产生非线性。为了消除边缘效应的影响，可以采用带有保护环的结构。保护环与定极板同心、电气上绝缘且间隙越小越好，同时始终保持等电位，以保证中间各种区得到均匀的场强分布，从而克服边缘效应影响。为减小极板厚度，往往不用整块金属板做极板，而用石英或陶瓷等非金属材料，蒸涂一层金属膜作为极板。
3.4寄生电容的影响
电容式压力传感器测量系统寄生参数的影响，主要是指传感器电容极板并联的寄生电容的影响。由于电容传感器电容量很小，寄生电容就要相对大得多，往往使传感器不能正常使用。消除和减小寄生电容影响可缩小传感器至测量线路前置极的距离将集成电流的发展、超小型电容器应用于测量电路。可使得部分部件与传感器做成一体，这既减小了寄生电容值，又使寄生电容值也固定不变了。 [科]
【参考文献】
[1]刘沁，周东旭，张治国，匡石，李新.电容式压力传感器的线性化校正与温度补偿.仪表技术与传感器，1002-1841（2010）11-0001-02.
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[3]李继文.加速度传感器集成电路ADXL05及其应用[J]国外电子元器件，1996，（08）.
压力传感器范文6
关键词： 压力传感器； 零点温漂； 温度补偿； 输出
中图分类号： TN919?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0105?03
Implementation of pressure sensor software for high accuracy temperature compensation
WANG Jun?jie， QIN Hui?bin
（Institute of Electronic Device and Application， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）
Abstract： In order to overcome the shortcomings of traditional hardware circuits for the pressure sensor temperature compensation， the basic method using single chip processor for pressure sensor temperature compensation is introduced. The method to implement temperature compensation by software is discussed. The principle of software algorithm for high?accuracy temperature compensation is expatiated， which provides a theoretical basis for temperature compensation by software. The experiment results prove that the sensor output accuracy has been significantly improved by the high?accuracy temperature compensation algorithm.
Keywords： pressure sensor； zero drift； temperature compensation； output
0 引 言
压力传感器是一种常用的传感元件，由于其自身的非线性与使用时受到外界测量条件的影响，使得压力传感器在输出时大都出现了非线性的特征，故存在多种因素的误差。然而，在这些误差因素中以温度的影响最为明显，所以对传感器的温度误差补偿尤为重要[1?3]。采用硬件补偿的措施实现温度误差补偿是极为繁琐与困难的，但是通过引入软件来实现补偿是一种比较有效的途径[4?5]。只要采用足够精确的温度误差补偿模型就可以得到满意的结果，同时希望采用的算法简单、高效以避免如BP神经网络温度补偿算法的复杂与耗时的特点[6]。
1 传统的硬件补偿方式及其缺点
传统的硬件温度误差补偿解决方法是通过在惠斯特电桥电路中的一个或两个桥臂上并联热敏电阻Rt，如图1所示[7]。但是由于热敏电阻自身的特性，不可能做到完全的温度误差补偿[8?9]。此外，通过硬件电路来实现温度误差补偿存在器件固有的不稳定性、调试困难、通用性差、成本高、精度低等缺点，不利于工程实际应用。所以，本文介绍结合单片机实现自动检测和实时控制的高精度温度误差补偿的软件实现。
图1 并联热敏电阻温度误差补偿方式
2 温度补偿的原理
在单片机传感器测量系统中，要解决传感器温度误差补偿的问题，必须要测出传感器所在点的温度，因此需要温度传感器。温度传感器通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方。首先通过A/D采样电路采集温度传感器在此温度时对应输出的电压信号（记为Ut）后传送到单片机中暂存；然后通过A/D采样电路采集经过放大电路放大后的传感器输出信号（记为Uo）并传送到单片机；最后启动温度误差补偿程序，通过Ut找到事先已经记录在单片机中的零点温漂电压Uc，则最后的输出电压为：
[Ue=Uo-Uc] （1）
具体的原理框图如图2所示[10?11]。
图2 带软件温度补偿功能的单片机
传感器测量系统原理框图
3 温度补偿的数学模型建立
3.1 线性温度补偿数学模型
在对温度误差进行补偿的时候，必须事先在给定的n个温度值（T1，T2，…，Tn）上测出温度传感器输出的每个温度值对应的电压信号（Ut1，Ut2，…，Utn），然后测出每个温度点上传感器输出信号经过放大电路放大后对应的温漂电压（Uc1，Uc2，…，Ucn），为了保证数据的精确性，可以在恒温箱中进行测量。将（Ut1，Ut2，…，Utn）与（Uc1，Uc2，…，Ucn）制作成一张表，放入单片机内存中，然后建立温度传感器输出的温度值对应的电压信号与温漂电压信号的数学模型，其特性曲线Uc=F（Ut）如图3所示。我们可以将图3所示的曲线分成n段，将相邻两个点之间的曲线近似看作为直线，这样就可以利用线性方法求出温度传感器输出的某个温度值对应的电压信号Ut所对应的温漂电压Uc，这就是线性插值法。假设测得温度传感器输出的温度值对应的电压信号Ut为（Ut1，Ut2，…，Utn）中的某一个值，则对应的温漂电压Uc为其相对应的（Uc1，Uc2，…，Ucn）中的某一个值；假设测得温度传感器输出的温度值对应的电压信号Ut在（Uti，Ut（i+1））之间，则其对应的温漂电压Uc可由式（2）求得：
[Uc=Uci+（Ut-Uti）Uc（i+1）-UciUt（i+1）-Uti， 1≤i≤n-1] （2）
从式（2）可以得知n取得足够大就可以获得良好的精度，这样单片机就可以通过测得的温度对应的电压信号得到对应的零点温漂电压。
图3 温度传感器输出的电压与温漂电压的特性曲线
3.2 非线性温度补偿数学模型
若温度传感器输出的温度值对应的电压信号与温漂电压信号特性曲线变化很大，采用的线性插值法会造成比较大的误差。故可以采用二次曲线插值法，如图4所示。通过曲线上的3个点K1（Ut1，Uc1），K2（Ut2，Uc2），K3（Ut3，Uc3）形成一段抛物线，但是传统的一元二次抛物线方程为Uc=AUt2+BUt+C，这种方式为了求出A、B、C的值需要联立方程组，计算复杂导致程序也比较复杂。采用下面这种方程形式：
[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+B（Ut-Ut1）+C] （3）
式中：A，B，C的值很容易根据K1，K2，K3三点求出。当Ut=Ut1，Uc=Uc1时，可知C=Uc1，又根据Ut=Ut2，Uc=Uc2时，可知：
[B=Uc2-Uc1Ut2-Ut1] （4）
将C和B代入方程式（3）中得到方程式的另一种形式：
[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+Uc2-Uc1Ut2-Ut1（Ut-Ut1）+Uc1] （5）
将Ut=Ut3，Uc=Uc3代入方程式（4）得：
[A=Uc3-Uc1Ut3-Ut1-Uc2-Uc1Ut2-Ut1Ut3-Ut2] （6）
由此可见：可以利用3个已知的点K1，K2，K3求出A，B，C的数值，然后放入单片机的内存中，根据Ut的值可以求出相对应的Uc的值。以上便是对传感器进行温度误差补偿的数学模型，用这2个模型便可进行温度误差补偿。
图4 二次曲线插值法
4 温度补偿的软件设计与实现
线性温度补偿与非线性温度补偿软件设计流程图如图5和图6所示。因为温度是一个连续变化的模拟量，因此为了提高精度采集的温度点越多精度就会越高。可以采用位数较多的A/D芯片以保证一般情况下的需要。结合单片机的软件实现流程如图7所示。这种软件设计方式确保了无需手动设置就可以保证对温度的变化做出及时的反应并且找到相应的零点温漂电压，从而确保单片机输出的电压是实时更新过的修正后的电压值。
图5 线性温度补偿流程图
图6 非线性温度补偿流程图
5 测试结果
表1显示了20 ℃和80 ℃时传感器的零位输出变化情况。从表1中可以看出经过软件温度补偿后的零位输出比未经过软件温度补偿的零位输出得到了显著的改善。
表2是在25 ℃时对传感器的测量结果，从表2中可以看出经过补偿后的精度都在1%以下。
图7 软件执行流程图
表1 传感器补偿前后的零位输出变化
表2 传感器补偿前后的精度变化 %
6 结 语
为了满足压力传感器在高精度场合的应用要求，本文结合单片机利用软件来实现传感器温度误差补偿是一种非常简便、有效的方法。这种方法可以大大降低测量系统的电路复杂度且节约成本，对于普通的使用者来说无需额外的操作便可以得到可靠的数值，适合对批量传感器的补偿，因此具有极为广泛的应用前景。
参考文献
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