智能压力传感器的设计

智能压力传感器的设计IMBstandardizationoffice【IMB5AB-IMBK08-IMB2C】密级：NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（2009—2013年）题目智能化压力传感器的设计学院：环化学院系测控系专业班级：测控技术与仪器093班学生姓名：钟刚学号：指导教师：刘诚职称：讲师起讫日期：—南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：导师签名：日期：摘要传感器及转换器形成系统的“前端”，没有它，许多现代化的电子系统都无法正常工作。传感器已广泛的应用于工业控制系统和能源工业装置当中（如石油和天然气的生产、配电工业）。它们也是制造录音机和录像机这些原始设备产品的重要内在组成部分。大多数这些数字电子系统之所以具有普遍性和强大优势是得益于传感器广泛应用于这些电子电路中。本课题将深入研究智能压力传感器系统理论及其在压力测试方面的应用，对新型智能压力传感器系统的智能化功能、智能化软件和硬件配置进行全面的设计。提出了一种差动电容式传感器的前置电路,基于电容/电压转换的原理,对微小电容变化量进行测量。电路输出的直流电压与差动电容变化量成线性关系,且能对偏差电容和电路的漂移进行自动补偿。完善智能化软件，实现温度补偿、自动校准、总线数字通讯、自动增益控制等多种智能化特性，使智能化程度尽可能的提高。关键词：传感器；压力；智能化。AbstractSensorsandtransducersformthe“front-ends”,：Sensor；pressure；intelligent目录第一章压力传感器压力传感器的概述根据我国国家标准对传感器的定义，对于压力传感器，我们可以给出定义：能够感受规定的被测量（压力信号）并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。压力传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。组成框图如图1-1所示。图1-1压力传感器组成框图压力传感器的类型压力传感器通常的分类标准是按工作原理分类，分为：电容式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电感式压力传感器、智能式压力传感器等。还有一种分类方式是按压力传感器所使用的材料分类：半导体压力传感器、光学压力传感器、金属压力传感器、金属-氧化物压力传感器等。现在应用最广泛的一种压力传感器是压阻式压力传感器。它是利用的原理时压阻效应，并采用微电子技术制成。这种压力传感器准确度高、动态响应好、灵敏度高、集成化程度高并易于微型化，因此得到广泛的应用，得到迅速发展，属于新的物性型传感器。压力传感器的结构特点本课题采用差压式电容传感器作为敏感元件。电容式压力传感器结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等，在恶劣的环境下对测量静态或低频变化的压力有比较好的优势。传统压力传感器的局限性传统的压力传感器往往在性能和成本上不能两全其美，为了提高性能，就要有居高不下的成本，因为制作材料必须品种多，性能高，制作过程要求非常严格，寸偏大，但是时间相应特性不高；2、系统非线性导致随时间漂移；3、环境变化很容易影响到参数的变换；4、器件信噪比不高，是传感器容易受到噪被测压力敏感元件转换元件基本转换电路电信号声的干扰致使结果不稳定；5、交叉灵敏度的存在导致传感器的选择性和分辨率都不高。这些因素就造成了传统压力传感器可靠性差、精确度低、性能不稳定等缺点，也注定了传统压力传感器必将被更高级的智能化压力传感器所取代。第二章智能压力传感器智能压力传感器的结构智能传感器主要是指利用集成电路工艺和微机械技术将敏感元件与功能强大的电子线路集成在同一芯片上，具有信号提取、信号处理、逻辑判断、决策、自检、自诊断和计算等功能。和经典传感器相比，智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、精度高以及功能强等优点。智能压力传感器的结构如图2-1所示，其中作为作为“大脑”的微型计算机，可以是单片机，也可也是微型计算机系统。图2-1智能压力传感器的结构框图智能压力传感器的功能①具有逻辑判断、统计处理功能：可对检测数据进行分析、统计和修正，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等的误差补偿，提高了测量准确度。②具有自诊断、自校准功能：可在接通电源时进行开机自检，可在工作中进行运行自检，并可实时自行诊断测试以确定哪一组件有故障，提高了工作可靠性。③具有自适应、自调整功能：可根据待测物理量的数值大小及变化情况自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性。④具有组态功能：可实现多传感器、多参数的复合测量，扩大了检测与使用范围。⑤具有记忆、存储功能：可进行检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。⑥具有数据通讯功能：智能化传感器具有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息，提高了信息处理的质量。被测压力传感器预处理及接口微型机输出接口模拟信号数字化输出接口信息处理及校正软件显示和记录D/A转换驱动电路智能压力传感器的特点与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是：①高的性能价格比：由于智能压力传感器的种种优点都是通过调试微处理器和计算机之间的配合达到的，所以在工艺本身不会追求过多，可以采用廉价的集成电路、芯片加上调试软件实现，从而性能价格比自然会高与传统的压力传感器。②适应能力强：系统在进行分析、判断和处理信号时，可以根据工作状况决定各个部分的供电和上极位传输速率，能够是系统功耗最低，传送率最优，并具有多种动能自动补偿。③精度高：智能压力传感器的自校准、自选量程、自动补偿和自动修正各类误差等功能保证了它的高精确度，通过系统软件达到这些功能，相比以前依靠硬件解决的方式来说方便和容易实现很多。④量程宽：智能压力传感器的测量范围很宽，具有很强的过载能力。⑤集中控制：由于微处理器控制整个系统，自身的控制和数字处理能力都很强大，所以智能压力传感器通过软件程序充分利用微处理器，使系统的多种功能和优点充分发挥，从而实现了集中的控制方式。智能压力传感器的应用与发展智能压力传感器主要应用于检测流体或固体的压力并进行信号远距离传输。它是工业实践中最为常用的一种传感器，常常作为一种自动化控制的前端元件，因此其广泛应用于各种工业自控环境，包括石油化工、造纸、水处理、电力、船舶、机床和公用设备等行业。目前，传感器的发展主要集中在集成化和智能化两个方面。传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列。传感器的智能化是将传感器与信号处理电路和控制电路集成在同一芯片上。系统能够通过电路进行信号提取和信号处理，根据具体情况自主地对整个传感器系统进行自检、自校准和自诊断，并能根据待测物理量的大学及变化情况自动选择量程和测量工作方式。本次论文的主要工作是在现在研究基础上，设计出具有体积小、成本低、寿命长、量程范围大、反应速度快、智能化程度高的智能压力传感器。第三章系统结构设计传感器系统总体结构设计本次课题将采用差动式电容传感器作为系统前端，A/D转换模块采用ADC0809芯片进行实现模数转换，微处理器采用单片机89C52，显示器采用LCD1602进行显示，本次课题总体设计方框图如图3-1所示图3-1总体方案设计图系统的特点本次课题设计的智能压力传感器结构简单，造价便宜，采用特定的信号调理电路，利用单片机和A/D、D/A转换器自动调节信号Uc1和Uc2,采用负反馈技术,实现了对偏差电容的自动补偿,并且采用差动测量方式以消除寄生电容、热零点漂移、共模干扰和其它环境因素的影响,使电路具有很强的抗干扰能力。具有自动报警功能，本次设计电路图中加了一个发光二极管，若所施加压力超出压力传感器的正常承受范围，发光二极管将会自动点亮，以保护传感器安全。报警系统用软件实现。信号调理电路ADC0809单片机89C52LCD1602被测压力模拟电压信号送显示差动式传感器电容值数字信号第四章硬件设计本次课程设计的硬件共分为前端传感器、信号调理电路、A/D转换、微处理器和显示部分这五个模块组成，下面将一一对这五个模块做出详细的介绍。前端传感器模块从经济、测量精度、稳定性以及对人体无害等因素，本课题采用陶瓷电容作为传感器材料，且采用圆柱差动变面积式电容位移传感器，如图4-1所示。图4-1圆柱差动变面积式电容位移传感器圆柱电容的计算公式为：C=dln2DX.其中，X为内外电极重叠部分长度；D、d分别为外电极内径与内电极外径。当重叠部分长度X发生变化时，电容的变化量为：C=0C-C=XCDxdlnx2.灵敏度为：K=dln2xDC.传感器由两组定片和一组动片组成。当动片上、下改变位置时，与两组定片之间重叠面积发生相应变化，成为差动电容。将上层定片与动片行形成的电容记为1C，下层定片与动片形成的电容记为2C。信号调理电路模块测量差动电容变化量的电路原理图如图4-2所示。图4-2信号调理电路图电路的结构对称,两边都以相同的方式工作,只对其中的一边进行分析。一正弦电压Us用于激励电路,其频率为f(Hz),幅值为A(V)。被测传感器电容器C1的一个极板与电压源相连,另一极板与电流检测器A1的输入端相连。电压信号也作为乘法器M的一个输入端,M的另一个输入端与控制信号Uc1相连。乘法器的输出电压信号为K1Us,系数K1=Uc1/10。电流Im和I1之和被放大器A1转换成电压信号UA1,经放大器A2后,输出电压信号Uo1。Us=Asinωt.2111R]//2)tAsin(RfRCm)K[(CUo1;式中C1=C10+ΔC1,C10为C1的初始值,ΔC1为变化量。同理,Uo2有类似的表达式。Uo1和Uo2同时输入差动放大器A3,其增益为Hi,得到输出电压信号Uo为Uo=Uo1-Uo2(1)假设C10=C20,ΔC1=ΔC2=ΔC,K1=K2,则式(1)可以简化为Uo=[2HiRfΔCR1ωAsin(ωt+π/2)]/R2.将Uo输入相敏检波器PSD中,输出直流电压信号Ud为Ud=[8HiR1RfωAΔC]/πR2(2)式中,系数4/π可由相敏检波器PSD对输入信号的整流和放大作用得出。由式(2)可见,Ud与被测电容的变化量ΔC成线性关系。因此,利用AD转换器将Ud转换成数字量,再经过单片机进行数据处理,即可实现对差动电容传感器电容变化量的测量。根据式(2)有下式式中δC为最小可测电容变化量;δUd为Ud测量分辨力;VADC为AD转换器的工作电压范围;n为AD转换器的转换位数。电容测量分辨力理论上主要取决于输出电压的测量分辨力。可以通过提高输出电压的测量分辨力来提高电容的测量分辨力。所提出的测量电路可以实现对偏差电容的自动补偿,原理如图4-3所示。图4-3自动补偿原理框图电压信号Uo1和参考信号Ur分别为相敏检波器PSD1的两个输入,输出信号Ud1可以表示为Ud1=4HiRf(C1+K1Cm)R1ωA/πR2移相器90°相敏检波器A/D转换器单片机UsUrUdUc1=4HiRf(C10+ΔC1+Uc1Cm/10)R1ωA/πR2.（3）根据式(3),有下式U′d1(Uc1)=[2HiRfCmR1ωA]/5πR2.因此,利用信号Uc1可以对电容器C1的固定值C10进行补偿,则在理论上