摘要
近年来，污水处理行业自动化水平的快速提高，使污水处理厂的自动控制系统已成为污水处理稳定运行的关键。而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。本文介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水控制系统中的应用，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统和介绍了在系统实施中遇到的若干问题及其解决措施。在污水处理中采用PLC控制系统改造后，保证了污水处理厂自动控制系统及污水工艺设备的安全运行，提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，实现了污水处理厂生产管理的科学性。
关键词：污水处理；PLC；自动化控制系统
,
Abstract
Piezoresistive pressure sensor always faces all important problem of temperature compensation which restricts its applications because of temperature influence Oil sensor?s sensitivity and measurement precision. Therefore, it is a significant project to research temperature compensation for piezoresistive pressure sensor.
First of all, state of arts on this topic is reviewed. Some compensation methods are analyzed and their principles are then summarized. The technology about modem signal conditioning which will be used in this paper is also introduced.
The smart sensor for measuring pressure designed in this paper has the advantages of small size, low cost, higher performance and response speed, and higher level of intelligence. After debugging the software and hardware of the smart sensor through emulation, the result shows that its performance is perfect. So we expect that the smart sensor can have broad future applications in many measuring and controlling systems for pressure.
Key words：piezoresistive pressure sensor; temperature compensation; MAX1457
目录
第1章概述 (1)
1.1引言 (1)
1.2设计目的及其意义 (2)
1.3传感器的发展状况 (3)
第2章压阻式传感器 (4)
2.1传感器的定义与作用 (4)
2.2传感器的特性 (5)
2.3压阻式传感器的基本原理 (6)
2.4压阻式传感器的特点 (7)
2.5压阻式传感器的温度补偿 (8)
2.6本章小结 (11)
第3章硬件设计 (12)
3.1补偿与标定系统的框图 (12)
3.2MAX1457电源电路 (12)
3.3并口通信电路 (13)
3.4压阻式压力传感元件 (15)
3.5串行通讯的实现 (17)
3.6本章小结 (18)
第4章软件设计 (19)
4.193C66的操作 (19)
4.293C66的管脚描述 (19)
4.393C66的工作模式 (19)
4.4MAX1457开发系统设计 (23)
4.5MAX1457补偿步骤 (24)
4.6本章小结 (26)
第5章性能测试 (27)
5.1测试内容 (27)
5.2测试结果 (27)
5.3本章小节 (29)
结论 (30)
参考文献 (31)
致谢 (32)
第1章概述
1.1 引言
硅压阻式传感器是一种广泛应用于工业生产、国防建设和航天测量的基本部件。由于半导体材料组成的硅压阻式传感器普遍存在着，一致性、温漂和非线性等问题，在使用过程中都要进行补偿与非线性矫正。传统的矫正方法是采用温度敏感器件与模拟电路实现。近年来，随着计算机技术日新月异的发展，对于硅压阻式传感器的矫正与补偿都采用微型计算机系统实现，这样的方法具有补偿精度高、工作稳定、体积精巧和传输方便等特点。这种方法组成的传感器信号调理电路也把传感器输出电路与变送器形成一体，即为现今的智能传感变送器。这种智能传感变送器还可以构成网络化测量系统，甚至能很方便的接入Internet网络 [1]。
对于传统传感器采用模拟方式对信号在模拟域进行处理，校准与补偿采用激光微调薄膜电阻、电位器等“模拟记忆”元件，温度补偿一般采用热敏电阻、二极管等温度敏感元件。所有这些方法存在以下主要缺点：
(1) 补偿精度受限于传感器的非线性误差和温度特性；
(2) 补偿器件同样受温度漂移困扰；
(3) 激光微调或其它自动化设备价格昂贵；
(4) 人工调节不但精度不高，而且增加生产成本，不适合批量生产。
对传感器普遍认可的定义是能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。简单的说，能把被测非电量信息转换为电信号输出的器件或装置称为传感器。因此，传感器的定义包含着三层含义：
(1) 传感器是一个测量装置；
(2) 在规定的条件下感受外界信息；
(3) 按一定规律转换成易于传输与处理的电信息。
传感技术早已渗透到工业生产，军事国防，宇宙探测，海洋开发，环境保护，资源调查，医学诊断，生物工程，文物保护，安全防范，家用电器等及其广泛的领域。因此，从茫茫太空到浩瀚的海洋，从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行，几乎每一个领域都离不开各种各样的传感器。可以毫不夸张地说，21世纪的社会，将是充满传感器的世界。
传感技术知识密集程度甚高，边缘学科色彩极浓，涉及的学科与领域十分广泛，制造技术复杂，工艺难度大，具有品种繁多，应用广泛等特点。
1.2 设计目的及其意义
目前，传感器可以检测物理参数，但是我们要用传感器做什么，通常，传感器技术分为俩个不同领域。一是信息采集，二是控制系统。
近年来，传感器技术得到了迅速发展，其速度超出了大多数工程师和科学家的预料。我们发现很多在十多年前很少看到或只是在实验室的新的复杂装置已经出现在广大的家庭、车间和很多其他场合。
传感器技术应用日益广泛的主要原因，是随着计算机和微处理器的发展，它可以用作复杂的、柔性的而且低成本的控制器。然而，如果不能给计算机的控制决策程序提供适合的、不断更新的、高质量的、关于外部系统状态的准确信息，那么直到今天这种系统的工作仍是很糟糕的。一旦这种信息通过传感器采集，并以预期的形式得到调制处理，那么就可以输入到计算机系统进行及时的处理并产生一个适当的响应。传感器系统的所有元件必须满足控制质量要求的性能水平。如果其中一个元件低于标准，就可能导致整个装置受到影响。
在温度、液位、角速度、压力以及其他传感器的应用中，我们可以领会到传感器的重要性及其应用的广泛性。在当今世界上，传感器应用非常普及，人们已司空见惯。
压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。压阻式压力传感器的一个主要问题是温度补偿问题，由于温度会对传感器的灵敏度及测量精度产生很大的影响，在相当程度上限制了压阻式压力传感器的使用，对传感器进行温度补偿显的尤为重要。
应用信号调理芯片是现代常用的一种补偿方法。本论文应用智能化的模拟数字混合信号调理技术，采用MAXl457，开发出了一整套温度补偿系统，经调理后的传感器综合误差不超过0.1％。MAXl457是一种专用传感器信号调理芯片。此芯片集成化程度较高，可以补偿硅压阻式压力传感器的温度误差和非线性误差。论文首先介绍了MAXl457芯片的结构、及相关数学公式推倒，分析了芯片的设计思路在结合压力传感器自身特点的基础上，深入分析了补偿思想，分析了能够实现高精度补偿的原因，设计了单路补偿模块，并成功地开发出了多路补偿系统，论文中介绍了相关的硬件电路及软件的核心代码。
1.3 传感器的发展状况
随着科学技术的飞速发展，带动社会生产的发展，人类对能源的需求不断增加，世界上发达国家为了解决能源紧张而带给各行各业的冲击，都努力在开发能源的同时，致力于节能新方法的研究。
我国地大物博，人口众多，对能源的需求量很大，但我国人均能耗低于世界水平，而单位产值的能耗却为发达国家的二倍。这在能源供应动荡不安的今天，应该引起人们足够的重视，同时也说明我国节能潜力很大，应该努力寻求节能的新途径。
我国从60年代开始对传感技术的研究与开发，国内在高精度智能化补偿与标定系统研究领域正处于方兴未艾阶段。国外近年来，传感器的信号调理技术发展很快，向着集成化、小型化、智能化和数字化方向发展。典型产品有Motorola公司生产的MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700系列单片集成硅压力传感器；美国Honeywell公司生产的ST3000系列、ST3000。900/2000系列智能压力传感器；MAXIM公司生产的MAXl450信号调理器、MAXl457型高精度硅压阻式压力信号调理器芯片、MAXl458数字式压力信号调理器等很多公司推出了在内部集成数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的智能信号调理芯片可以补偿失调、失调温度漂移、灵敏度、灵敏度温度漂移和非线性等多个参数。这些芯片为开发高性能的补偿与标定系统提供了基础和条件。
在高度发展的现代社会中，科学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已成为人所共知的发展趋势，而它们的共同要求是必须建立在有着不断发展与提高的信息工业基础上，信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。现代信息技术的基础包括信息采集、信息传输与信息处理。人们只有从外界获取大量准确，可靠的信息后，经过一系列的科学分析，处理，加工与判断，进而认识和掌握自然界与科学技术中的各种现象与其相关的变化规律，并通过相应的系统与方法加以实现科学实验研究与生产过程的高度自动化。换言之，工业生产过程的现代化面临的第一个问题是必须采用各种传感器来检测，监视和控制科学实验与生产过程的各个静动态参数，使设备与系统以及科学研究工作能正常运行和处于最佳状态，从而保证科研工作的成功与生产的高效率，高质量。所以，进行信息采集的传感器技术是重要的前期基础工作。此后，才有后期的信息分析，处理加工技术问题。
第2章压阻式传感器
2.1 传感器的定义与作用
在国家标准GB/T7665--1987《传感器通用术语》中，传感器的定义为能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分[2]。
在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代，人们在从事工业生产和科学实验等活动中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理，传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，它提供系统赖以进行决策和处理所必需的原始数据。一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中要获取的信息，都要通过传感器转换为容易传输与处理的信号。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示与控制，都将成为一句空话。
本文中所研究使用的是压阻式传感器。压阻式传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使硅压阻式传感器的迟滞极小，重复性极好；硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏度，高精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动过程控制器等。它在生物，医疗，航天，海洋工程，原子能等各种尖端科技和工业领域等都有着广泛的用途。这类传感器具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。因此，它是一种发展迅速，应用广泛的新型传感器。早期的压阻传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片；20世纪70年代以后，研制出周边固定的力敏电阻与硅膜片一体化的扩散型压阻传感器，它的传感元件是利用集成电路工艺，在半导体材料的基片上制成的扩散电阻。它易于批量生产，能够方便的实现微型化，集成化和智能化，因而它成为受人们普遍重视并重点开发的具有代表性的新型传感器。
2.2 传感器的特性
传感器的输入输出关系特性是传感器的基本特性。从误差角度去分析输入输出特性是测量技术所要研究的主要内容之一。输入输出特性是传感器的外部特性，但与其内部参数有密切的关系，而且测量误差也是与其内部结构参数密切相关的。
传感器所测的物理量有两种形式，一种是稳态(静态或准静态)的形式，这种信号随时间变化很缓慢。另一种是动态(周期变化或瞬态)的形式，这种信号是随时间变化而变化的。由于输入物理量的不同，传感器所表现出来的输入输出特性也不同，因此也就存在所谓静态特性和动态特性。
2.2.1 静态特性
传感器的主要静态性能指标。线性度、灵敏度、迟滞、重复性、温度系数等[3]。
量程：在规定的测量特性内，传感器在规定的精确度范围内所测量的被测变量的范围，其最高值与最低值分别称为上限与下限，上限值与下限值的代数差就是量程。
线性度：线性度又称非线性，是表现为传感器输出输入的实际标定曲线与理论直线(或拟合直线)的不一致性。
灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态下输出量与被测输入量增量之比。
迟滞：迟滞特性是反映传感器正反行程过程中，输出输入曲线的不重合程度，也就是说，对应同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号的大小却不相等，这就是迟滞现象。实际评价用正反行程输出的最大偏差与满量程输出之比的百分比来表示。
重复性：在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量所对应的连续先后多次测量所得的一组输出量值，它们之间相互偏离的程度便称为传感器的重复性。重复性可由一组校准曲线的相互偏离值直接求得。
分辨力：分辨力是指传感器在规定测量范围内所能检测出被测输入量的最小变化量。有时对该值用满量程输入值之百分数表示，则称为分辨率。
零点时间漂移：传感器在恒定的温度环境中，零点输出信号与时间的变化特性，称为传感器零点时间漂移，简称零漂。传感器的零漂一般按48h内输出信号的变化来度量。
零点温度漂移：传感器的零点输出随温度而变化的特性，称为传感器的零点温度漂移。一般常用环境温度变化10°所引起的输出变化相对于满量程的百分比表示。在实际使用中，时间漂移与温度漂移是同时存在的。
灵敏度温度漂移：传感器的灵敏度随温度变化而变化，它反映温度变化对传
感器输出信号影响的大小。一般用温度每变化10°而引起传感器的相对变化来表示。
2.2.2 动态特性
动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。一般来说，总是希望传感器的输出随时间变化的关系能重复输入量随时间变化的关系，但实际上除了具有理想比例特性的环节以外，输出信号将不会与输入信号完全一致。这种输出与输入之间的差异称为动态误差。通常把传感器看作一个线性不变系统，用常系数线性微分方程来描述。
Z
(2-1)式中，，…，和，，…，均为与系统结构参数有关的常数。
对一个复杂的系统，严格地求解上式的微分方程是困难的。因此在工程控制和信息论中通常采用一些能反映系统动态特性的函数将输出和输入联系起来，如传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数等。
2.3 压阻式传感器的基本原理
随着半导体技术的发展，压力传感器已向半导体化和集成化方向发展。人们发现固体受到作用力后电阻率就要发生变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受压力时，它的电阻率发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。压阻式传感器就是利用固体的压阻效应制成的，压阻式传感器主要用于测量压力、加速度、负荷等参数。压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体的体电阻做成粘贴式的应变片，作为测量传感元件，称为粘贴型压阻式传感器；另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，称为扩散型压阻传感器[4]。
任何材料电阻的变化率由下式决定。
(2-2)式中，R一导体的电阻(Ω)；
p一导体的电阻率(Ω·㎜2/m)；
l一导体的长度(m)；
s一导体的截面积(㎜2)。
2.4 压阻式传感器的特点
压阻式压力传感器的最突出的优点是灵敏度高、尺寸小、横向效应小、滞后和蠕变小，适于动态测量；其缺点是受温度影响大，重复性较差，下面细化一下[5]。
(1) 优点
①频率响应范围宽，固有频率很高；
②体积小，可微型化。由于采用了集成电路的工艺方法，因而硅膜片敏感元件可做得很小；
③精度高、灵敏度高；
④由于压阻式压力传感器无活动部件，所以它工作可靠、耐震、耐冲击、耐腐蚀、抗干扰能力强以及可以在恶劣环境下工作的优点。
(2) 缺点
①由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因此，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿；
②制作工艺复杂。对研制条件要求高而严格，尤其是扩散杂质、烧结、封装工艺等比其它传感器要复杂的多，因而成本较高。
传感器技术发展的主要趋势，小型化，集成化，智能化。在集成电路部分制成一些微处理器，使得其具有记忆，思维，判断，处理的能力。
采用硅弹性材料、半导体工艺和微机械加工技术的扩散硅压力传感器，除了灵敏度高这一优点外，还具有体积小、重量轻、成本低等优点，在各行业中得到了广泛的应用。但由于半导体材料的固有特性，压阻式传感器普遍存在着如下几方面的问题。
(1) 一致性问题，由于工艺的关系，即使同一批生产的传感器，其特性也会有比较大的离散性。为了保证足够的精度，必须对每个传感器进行校准；
(2) 温漂问题，半导体材料对于温度变化很敏感，因此温漂问题在压阻式传感器中尤其显得突出。实际应用中，必须采取一定措施，对传感器的温度漂移进行补偿；
(3) 非线性问题，这是普遍存在于各种传感器中的问题。为了便于信号的传送及处理，必须对传感器输出信号进行线性化处理；
(4) 传感器的原始输出信号都比较小，为了获得足够的分辨率或灵敏度，必须进行放大并使输出信号标准化。
2.5 压阻式传感器的温度补偿
压阻式传感器由于有很多优点，因而发展很快，但是温度误差却是这类传感器发展中的一个需要解决的问题，所以在使用压阻式传感器时需进行温度补偿。温度补偿有硬件补偿和软件补偿两种方式。硬件补偿就是在传感器桥臂附加串并联电阻网络达到消除或减小温度影响的目的，而软件补偿就是利用微机或单片机系统对实时采集的数据进行综合修正达到消除和减小温度的影响。
压阻式传感器采用硬件温度补偿对电阻补偿网络的要求较高，而且还涉及到电阻条的扩散工艺，其补偿效果是与硬件成本成正比的。随着微型计算机和大规模集成电路技术的迅速发展及其成本的下降，测量仪器向数字化发展并与软件相结合是一个主要的发展趋势。而MAXl457把软件和硬件补偿相结合，把校准和补偿系数存在E2PROM内，传感器的电桥电压反映传感器温度的变化，此变化的电桥电压经过信号调理芯片内部的ADC转换后作为地址参数，读取E2PROM中相应的校准和补偿系数，驱动DAC输出的模拟电压，对压阻式传感器进行实时校准和补偿。同时上位机通过并口读写校准和补偿系数，并获得传感器的电桥电压和经过补偿后的传感器输出电压[6]。
2.5.1 温度补偿的意义
在对压阻式压力传感器的研究方向中，包括开发耐高温，及用于微机械加工的压力传感器，还有一个重要的研究方向是温度漂移的补偿，在实际应用当中，压阻式压力传感器的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影响，导致零点漂移和灵敏度漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零点漂移是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数亦小，反之，薄层电阻增加，温度系数增大。由于工艺上的原因，难于使4个桥臂电阻温度系数完全相同，因此，不可避免的要产生零位漂移。所以，适当提高表面杂质浓度，可以减小温度系数，进而减小零位漂移。但是，过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏度。
压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当温度升高时，压阻系数减小，反之则增大。所以，当温度升高时，传感器灵敏度降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度变化要小一些，但传感器的灵敏度同样会降低。因此，对压阻式压力传感器进行温度补偿在实际应用当中显得相当重要。
2.5.2 温度补偿的方法
在这个领域，有多种多样的补偿方法，根据自身的需要和要求，各有优缺点。
有根据电桥特性，进行补偿的传统方法，现在越来越多的是采用适当的调理芯片进行补偿。压力传感器是利用在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥，其原理是当不受力时。电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力的作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压，电桥输出的电压与压力成比例。由于温度的影响，四个电阻的阻值变化值有可能不同，将使传感器的零点发生漂移。传感器的零位漂移可采用在电桥电路中串联，并联补偿电阻的方法来解决。
如图2-1，并联的电阻R p为负温度系数的热敏电阻，主要用来补偿零位温度漂移，串联的R s用来调节零位输出。
很多的补偿方法是从其制作工艺去考虑，类似补偿方法主要采取自补偿法，其中包括一元件法和二元件法。有的方法是从掺杂浓度来考虑，这些在相关文献中都有报道。
R2
U
R1R3
图2-1 补偿原理图
2.5.3 常见的补偿方法
在一些的论文中，最常见的一种是采用模数转换器(ADC)，对传感器进行温度补偿。电路工作原理，温度测量电路是由温度传感器，运算放大器，桥路及数模转换器等组成。
如图2-2，R t为热敏电阻，不同的温度产生不同的电压信号，此信号送至ADC0809，而运放的同相输入端将电桥所产生的电流信号转换成电压信号，送到数模转换器的基准电压输入端，利用此基准电压来消除零点温度产生的误差信号。
此电路的实质是当电桥的输出电压发生微小变化时，其输出到ADC的基准电压也发生变化。大多数温度传感器的温度系数是负值，而电阻温度系数是正值。两者的绝对值非常接近。
V CC
ADC0809 R t
R 2
a b
Digital output
R 3 R 1 R f + -
图2-2 采用A/D 补偿原理图
在这里是利用了TCR (电桥阻抗温度系数)和TCS (灵敏度温度系数)的绝对值相等这一理想条件，但在实际当中，有一定的误差。而后用MAXl457修正时，考虑到这一情况。
也有相关采用A/D 转换器进行温度补偿，补偿思路类似，也都是从电桥本身获得温度电压。可以将补偿电阻网络与A/D 转换电路相结合使用，理想情况下，从电路上可以将温度的误差项彻底消除[7]
。但这些是对平衡电阻的分析不够，运放本身
的输入漂移电压和漂移电流而引起的误差也没有考虑。
在其它补偿方法中，也多以增加串联，并联电阻为主，通过预先测得的变化曲线调整阻值的大小，或建立数学模型，推导出合适的公式。
2.5.4 现代补偿方法
有一种单片机智能控制系统，摒弃了传统的方法，是将传感器的输出电压U s 去掉其零点温漂电压U t ，作为最后的输出U o =U s -U t ，此系统中包括压力传感器及温度传感器，分别将其放大，并有A/D 及单片机系统。
图 2-3 原理框架图
系统中的单片机采用8031作为主处理芯片，外接程序存储器和数据存储器。
D 0
D 1
V in
D 7
V ref
压力传感器及其放大
温度传感器及其放大 A/D 转换部分
单片机计算及其显示小系统
传感器工作时，在单片机的控制下，首先将A/D转换通路接通温度传感器，依次测出的温度数据，查出预先存储在RAM中的对应于此温度的补偿值U t，然后控制A/D 接通压力传感器通路，测出此时的压力传感器输出电压U s，减去U t，得到最后结果。这种方法的实质是根据温度传感器的采样值，进行查表，将对应于此温度的补偿值U t提出，后测出U s求出U o。而此方法中的放大电路的元件并没有考虑其温度特性，此方法主要针对的是零点漂移，没有对传感器的灵敏度进行考虑，因而精度不会太高。这种方法已经表达出一种补偿思想，就是将压力信息和温度信息都要考虑，还有一点就是预先存储参考值。以及从桥臂获得温度信息，即作为测压元件又作为温度补偿元件的测量方法。这些都摒弃了传统的方法，为以后方法的改进提供了好的思路。也有采用PN结的特性对硅压传感器进行温度补偿。其实质也是调整外部电路，修正电路的电阻值。这需要对每个传感器不同的温度特性进行实验，并且成本高，只是阻值的计算方法上有所改进。
正如前所述，对压阻式传感器的温漂的补偿，国内外的许多科技人员做了大量的工作，也取得了很大的进展。但是这些方法中许多都存在着精度低，成本高，不能实时补偿等缺点。针对上述情况，美国的MAX公司成功地开发了一种传感器的补偿芯片—，MAXl457。此信号调理芯片以消除传感器因温漂引起的固有的可重复误差，提高传感器的测量精度，使传感器的误差控制在0.1％以内。
2.6 本章小结
本章简要说明了对压阻式压力传感器的特性和基本原理，并且给出了温度补偿框架图，对压力传感器的补偿方法作了简要介绍。
第3章 硬件设计
硬件的研究与设计是论文工作的重要组成部分，首先进行方案论证确定系统的结构和框架，并对各部分的硬件电路和逻辑进行详细的研究与设计，完成硬件电路的设计[8]
。然后根据设计结果绘制详细的原理图和PCB 图，并在制作好电路板
后进行硬件调试，发现问题并解决问题，为软件的设计做好基础。
3.1 补偿与标定系统的框图
图3-1 补偿与标定系统的框图
补偿与标定系统的信号调理电路是以MAXIM 公司生产的MAXl457为核心；数据采集电路以MAXl401为核心，用来采集传感器的桥压和MAXl457的输出电压。根据向导式的补偿步骤通过并把补偿和修正系数写入E2PROM ，在某个特定温度点MAXl457载入相应的补偿系数对硅压阻式传感器进行补偿与标定。
3.2 MAX1457电源电路
为了确保精度，需要保证MAXl457的电源电压的精度，因为MAXl457的电源电压是失调DAC (OFST DAC )和灵敏度DAC (FSO DAC )参考电压。这里采用了AD586给MAXl457提供精密5V 电源电压。AD586MN 的工作温度为0℃～70℃，温漂为2ppm/℃，输出电压范围为5.000V+2mV ，输出噪声非常低。精密5V 电源电压电路如图3-2。
硅压阻式 传感器 MAX1457 E2PROM
(93C66)
A/D 转换
（MAX140）
1）
计算机并
口 上位
机
P C
88
AD586 7 2 6 3
图3-2 精密5V 电压电路图
3.2.1 MAX1457与E 2RPOM 的接口电路
MAXl457本身具有与SPI/Micro Wire 兼容的串口，而E2PROM 采用的是ATMEL 公司的AT93C66，它采用了三线串行总线结构[9]
。两者的连接图如图3-3。
93C66 MAX1457 6
3 20
图3-3 MAX1457与E 2RPOM 的连接图
3.3 并口通信电路
PC 机都带有一个标准的并行打印口用于连接打印机，实际上它还是一个并行通讯口，可与任何符合该通讯标准的设备相互通讯。本论文中，PC 机通过打印机并口读写E2PROM 并对MAXl457进行控制。并行打印口的针脚功能表如表3-1。打印口共有三个寄存器接口。378H 数据口、379H 状态口和37AH 控制口。表3-2给出了这三个端口的位数与针脚的对应关系。
(1) 378H 数据口是PC 机向打印机发送数据的唯一出口，该口有八条线，而且
NR TP
TP VIN
VOUT TP
TRIM GND 1
4
5
VDD CS SK
ORG DI
VSS DO
ESC
ECLK
EDI EDO
122
2 21
8
19
7 5
4
只能输出，不能输入。
(2) 379H状态口是打印机返回给PC机的联络信号，用于反映打印机的当前状态。该口共有五条输入线，位数为D7、D6、D5，D4、D3。其中D7为负逻辑，即外部输入低电平，读入为高电平。
(3) 37AH控制口是PC机向打印机发出打印控制命令的端口。它有四条线，与数据口一样只能输出，不能输入，位数为D3、D2、D1、DO。其中除D2外，其它三位都是负逻辑，即送出高电平输出为低电平。
表3-1 并口打印口的针脚功能表
针脚功能针脚功能
1 选通端，低电平有效10 确认，低电平有效
2 数据通道0 11 忙
3 数据通道1 12 缺纸
4 数据通道2 13 选择
5 数据通道3 14 自动换行，低电平有效
6 数据通道4 15 错误，低电平有效
7 数据通道5 16 初始化，低电平有效
8 数据通道6 17 选择输入，低电平有效
9 数据通道7 18-25 地线
表3-2 并口地址的位数与针脚对应表
并口地址D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
378H 9 8 7 6 5 4 3 2
379H 11 10 12 12 15
37AH 17 16 14 1
并口的引脚电平为TTL电平，而E2PROM的引脚的电平也是TTL电平，无需电平转换，通讯非常方便。但是为了防止并口与E2PROM互相干扰和驱动对方的能力不够，中间加入了74HC244作为缓冲和隔离。PC机读写E2PROM时，需要拉低MCS 信号，使得MAXl457处于空闲状态，以免干扰PC机对E2PROM的读写。所以MCS 信号也与并口相连接，使得PC机能够控制MAXl457。
3.4 压阻式压力传感元件
传感元件位于传感器系统之首，被测压力量需由它转换为电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。本课题对传感元件的要求是体积小、成本低、准确度高、可靠性好。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，它利用液柱高度差或弹性元件的形变来指示压力，其主要的问题是，尺寸大，份量重和不能提供电学量输出等。随着半导体技术的发展，压力传感器呈现出半导体化的趋势。半导体压力传感器的发展过程中，早期曾出现过压敏晶体管器件(三极管或二极管)，其封装较为困难，而且容易失效。压阻器件是目前应用最广泛的半导体压敏传感器，并且由于综合运用MEMS工艺与集成电路工艺，半导体压阻传感器小型化、集成化提供了可能条件，现阶段对压阻材料传感器的研究十分活跃。目前主要的压阻材料是硅材料，应用最为广泛的是压力传感器，桥式压阻传感器在相当的时间里都被作为压阻传感器的标准电路形式，与之相适应的各种调节电路也同趋成熟。本系统采用利德电子有限公司的87型(超稳定)压力传感元件，这种压阻式硅压力传感器具有体积小、结构简单轻巧、性能可靠及低功耗等特点，智能压力传感器系统采用它作为压力传感元件，有利于降低成本，简化系统结构[10]。
智能压阻压力传感器组成，作为主传感器的压阻压力传感器用于压力测量，温度传感器用于测量环境温度，以便进行温度误差修正，两个传感器的输出经前置放大器放大送至多路转换器，多路转换器根据单片机发出的命令fl1选择一路信号送至A/D转换器，A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号送人单片机，单片机根据已编制好的程序对压阻元件非线性和温度变化产生的测量误差进行修正。
3.4.1 结构
该传感器为一种微型压阻式硅压力传感器，为克服传统压阻压力传感器的不足，设计出一种智能型压阻压力传感器。根据智能传感器的系统组成和应用范围，在充分考虑各元器件之间连接的参数配合的基础上，选择实用性好，可靠性高，成本低的元器件组成整个测量系统，该系统在单片机的控制和处理下，同时具备温度和压力参数的自动测量、放大、MD转换和结果显示，而且具有自检、自动补偿和现场通讯等功能。它专为OEM应用而设计，与腐蚀性介质兼容。传感芯片安装在T O型的敏感头上，在封装上焊着一层316不锈钢盘旋膜片，在膜片和传感器元件之间密封了适量的硅油，ISO压力外壳利用硅油压力从316不锈钢膜片上串递到压阻元件上，其结构如图3-4。
3
6
（-） 4
图3-4 87型（超稳定）压力传感元件结构
3.4.2 性能参数
表3-3列出了87型(超稳定)压力传感元件在电源电流为1.5mA ，室温是25℃条件下的性能参数。
表3-3 压力传感器性能参数
参数 最小 最小 最大 单位 备注
满量程 75 100 125 mV 1 零压失调 -1 0 1 mV 压力非线性 -0.25 0.25 ±%量程 2 压力迟滞 50 μV 输入输出电阻 2000 2750 4000 Ω 温度误差-满量程 -0.75 +0.75 ±%量程 3 温度误差-失调 -0.75 +0.75 ±%量程 3 热迟滞-满量程 0.05 ±%量程 3 热迟滞-失调 0.05 ±%量程 3 供电电流
0.5
1.5
2.0
mA
+
I
2 -
（+）
r 5
压阻式压力传感器 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制（见加速度计）。 压阻效应当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 压阻式压力传感器的结构这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 发展状况1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。这种新型传感器的优点是:①频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；③精度高，可
智能压力传感器的研究与开发 摘要 为了提高压力传感器的精度，解决功能单一的问题设计了一种新型的智能压力传感器。该压力传感器以MSP430单片机为控制核心，通过A/D转换接口实现对压力传感器的温度和压力信号的采集，利用BP网络算法实现了对采集信号的数据拟合，利用LED显示，利用RS485串口通讯实现数据交换及压力值输出，完成功能要求。 详细叙述了压力传感器的温度补偿方法，重点讨论了人工神经网络中的BP网络算法。BP网络算法主要包括BP网络的结构，基于MATLAB神经网络工具箱的BP网络仿真。根据BP网络的数据连接关系实现了BP网络的C语言表示，根据BP网络的权值、阈值由数组连接实现了向MSP430单片机的程序移植，完成信号的控制。提出了基于遗传模拟退火BP网络算法的压力传感器温度补偿系统。 设计了压力传感器的硬件电路。利用MPM280压力传感器测量压力，通过放大器实现温度和压力信号的放大，利用MSP430自带A/D转换的12位MSP430单片机实现信号处理，通过RS485实现输出，设计了显示功能，设计了丰富的电源电路，并且通过相应的电压转换芯片实现对各个模块的不同电压供电。 实现了压力传感器的软件设计，在MSP430编译软件IAR上利用C语言实现了初始化子程序，温度和压力A/D采样程序，BP网络信号处理子程序，显示子程序和RS485通讯子程序。设计了基于MATLAB GUI的串行通讯压力传感器标定软件，在GUI上实现了对单片机的信号采集，BP网络训练以及对单片机的串行通信实现的在线标定的功能。 研究设计的智能压力传感器具有体积小、精度高，并实现了基于MATLAB的BP网络在线标定。通过仿真对软、硬件进行了充分的调试，效果良好，在工业现场已经应用实现，在众多压力测控系统中有着广阔的应用前景。 关键词：压力传感器，MSP430单片机，温度补偿，BP网络算法
实验四扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的： 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器 压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+4V、±15V。 三、实验原理 在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，，形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。 四、实验内容与步骤 1.扩散硅压力传感器MP×10已安装在压力传感器模块上，将气室1、2的活塞退到20ml处，并按图4-1接好气路系统。其中P1端为正压力输入、P2端为负压力输入，P×10有4个引出脚，1脚接地、2脚为 Uo＋、3脚接+5V电源、4脚为Uo ﹣；当P1＞P2时，输出为正；当P1＜P2时，输出为负。 2.检查气路系统，分别推进气室1、2的两个活塞，对应的气压计有显示压力值并能保持不动。 3. 接入+4V、±15V直流稳压电源，模块输出端Uo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。
4. 调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。 5. 退回气室1、2的两个活塞，使两个气压计均指在“零”刻度处，将MP×10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。 6. 保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.095Mpa；填入表4-1。 P(KP Uo2(V 7. 保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，每隔 0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.095Mpa；填入表4-2。 P(KP Uo2(V 8. 保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔 0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.0Mpa；填入表4-3。P(KP Uo2(V 9. 保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔 0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.0Mpa；填入表4-4
毕业设计任务书 一、题目 智能压力传感器系统设计 二、指导思想和目的要求 1.培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能； 2. 培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风； 3.培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。 三、主要技术指标 1.培养学生综合运用所学职业基础知识、职业专业知识和职业技能，提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、深化所学的知识与技能； 2. 培养学生建立正确的科学思想，培养学生认真负责、实事求是的科学态度和严谨求实作风； 3.培养学生调查研究，收集资料，熟悉有关技术文件，锻炼学生的科研工作能力和培养学生的团结合作攻关能力。 三、主要技术指标 本设计主要设计一个智能压力传感器的设计，要求如下： 被测介质：气体、液体及蒸气 量程：0Pa～500pa 综合精度：±0.25%FS 供电：24V Dc（12～36VDC） 介质温度：-20～150℃ 环境温度：-20～85℃ 过载能力：150%FS 响应时间：≤10mS 稳定性：≤±0.15%FS/年 能实时显示目标压力值和保存参数，并能和上位机进行通信，并具有较强的抗干扰能力。 所需要完成的工作： 1.系统地掌握控制器的开发设计过程，相关的电子技术和传感器技术等，进行设计任务和功能的描述；
2.进行系统设计方案的论证和总体设计； 3.从全局考虑完成硬件和软件资源分配和规划，分别进行系统的硬件设计和软件设计； 4.进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调； 5.查阅到15篇以上与题目相关的文献，按要求格式独立撰写不少于15000字的设计说明书及1.5万（或翻译成中文后至少在3000字以上）字符以上的英文翻译。 四、进度和要求 第01周----第02周：查阅相关资料，并完成英文翻译； 第03周----第04周：进行市场调查，给出系统详细的设计任务和功能，进行系统设计方案的论证和总体设计； 第05周----第07周：完成硬件电路设计，并用PROTEL画出硬件电路图； 第08周----第10周：完成软件模块设计与调试； 第11周----第12周：进行硬件调试，软件调试和软硬件的联调； 第13周----第14周：撰写毕业设计论文； 五、主要参考书及参考资料 1. 单片机原理及应用，张鑫等，电子工业出版社 2. MCS51单片机应用设计，张毅刚等，哈尔滨工业大学 3. MCS51系列单片机实用接口技术，李华等，北京航天航空大学 4. PROTEL2004电路原理图及PCB设计，清源科技，机械工业出版社 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究，曹卫芳，山东科技大 学，2005．5 6. 单片机应用技术选编，何立民，北京航空航天大学出版社，2000 7. 检测技术与系统设计，张靖等，中国电力出版社，2001
密级： NANCHANG UNIVERSITY 学士学位论文 THESIS OF BACHELOR （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： 5801209114 指导教师：刘诚职称：讲师 起讫日期： 2013.3.15—2013.6.6 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：
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。
传感器课程设计报告 题目：扩散硅压阻式压力传感器的差压测量 专业班级：BG1003 姓名：桑海波 时间：2013.06.17~2013.06.21 指导教师：胥飞 2013年6月21日
摘要 本文介绍一种以AT89S52单片机为核心，包括ADC0809类型转换器的扩散硅压阻式压力传感器的差压测量系统。简要介绍了扩散硅压阻式压力传感器电路的工作原理以及A/D变换电路的工作原理，完成了整个实验对于压力的采样和显示。与其它类型传感器相比，扩散硅压阻式电阻应变式传感器有以下特点：测量范围广，精度高，输出特性的线性好，工作性能稳定、可靠，能在恶劣的化境条件下工作。由于扩散硅压阻式压力传感器具有以上优点，所以它在测试技术中获得十分广泛的应用。 关键字：扩散硅压阻式压力传感器，AT89S52单片机，ADC0809，数码管
目录 1.引言 (1) 1.1课题开发的背景和现状 (1) 1.2课题开发的目的和意义 (1) 2.设计方案 (2) 2.1设计要求 (2) 2.2设计思路 (2) 3.硬件设计 (3) 3.1电路总框图 (3) 3.2传感器电路模块 (3) 3.3A/D变换电路模块 (4) 3.4八段数码管显示 (8) 3.5AT89S52单片机 (9) 3.6硬件实物 (12) 4.实验数据采集及仿真 (13) 4.1数据采集及显示 (13) 4.2实验数据分析 (13) 5.程序设计 (16) 5.1编程软件调试 (16) 5.2软件流程图 (17) 5.3程序段 (18) 6.结果分析 (19) 7.参考文献 (20)
1.引言 1.1 课题开发的背景和现状 传感器是一种能够感受规定的被测量的信息，并按照一定规律转换成可用输出信号的的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一，其应用的数量和质量已被国际社会作为为衡量一个国家智能化、数字化、网络化的重要标志。 近年来，随着国家资金投入大的增加，我国压阻式传感器有了较快的发展，某些传感器如矩形双岛膜结构的6KPa微压传感器的性能甚至优于国外，其非线性滞后、重复性均小于5×10-4FS，分辨率优于20Pa，具有较高的过压保护范围以及可靠性。但是就总体而言，我国压阻式传感器的研究，在产量和批量封装等方面还存在不足，精度、可靠性、重复性尚待提高，离市场需求级国际水平还有较大差距。 1.2 课题开发的目的和意义 日常生活和生产中，我们常常想了解温度、流量、压力、位移、角度等一系列参数，压力传感器技术在诸多领域中相对而言最为成熟。根据工作原理的不同，压力传感器通常可以分为机械膜片、硅膜片电容性、压电性、应变性、光纤、霍尔效应、压阻式压力传感器等。压阻式传感器又包括扩散硅型和应变片型传感器，扩散硅压阻式传感器由于具有结构简单、可微型化、输出信号大、精度高、分辨率高、频响高、低功耗、体积小、工作可靠等突出特点而在压阻式压力传感器市场中占据更大的份额。
标定与校准的概念 新研制或生产的传感器需要对其技术性能进行全面的检定，以确定其基本的静、动态特性，包括灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度及固有频率等。 例如，对于一个压电式压力传感器，在受力后将输出电荷信号，即压力信号经传感器转换为电荷信号。但是，究竟多大压力能使传感器产生多少电荷呢？换句话说，我们测出了一定大小的电荷信号，但它所表示的加在传感器上的压力是多大呢？ 这个问题只靠传感器本身是无法确定的，必须依靠专用的标准设备来确定传感器的输入――输出转换关系，这个过程就称为标定。简单地说，利用标准器具对传感器进行标度的过程称为标定。具体到压电式压力传感器来说，我们用专用的标定设备，如活塞式压力计，产生一个大小已知的标准力，作用在传感器上，传感器将输出一个相应的电荷信号，这时，再用精度已知的标准检测设备测量这个电荷信号，得到电荷信号的大小，由此得到一组输入――输出关系，这样的一系列过程就是对压电式压力传感器的标定过程，如图1-19所示。 图1-19 压电式压力传感器输入――输出关系 校准在某种程度上说也是一种标定，它是指传感器在经过一段时间储存或使用后，需要对其进行复测，以检测传感器的基本性能是否发生变化，判断它是否可以继续使用。因此，校准是指传感器在使用中或存储后进行的性能复测。在校准过程中，传感器的某些指标发生了变化，应对其进行修正。 标定与校准在本质上是相同的，校准实际上就是再次的标定，因此，下面都以标定为例作介绍。 1．7．2 标定的基本方法 标定的基本方法是，利用标准设备产生已知的非电量(如标准力、位移、压力等)，作为输入量输入到待标定的传感器，然后将得到的传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定数据或曲线。例如，上述的压电式压力传感器，利用标准设备产生已知大小的标准压力，输入传感器后，得到相应的输出信号，这样就可以得到其标定曲线，根据标定曲线确定拟合直线，可作为测量的依据，如图1-20所示。
目录 1 概述 2 工作原理 1. 2.1 电阻应变片 2. 2.2 陶瓷型 3 选型要点 4 常见故障 5 四个无法避免的误差 6 抗干扰措施 7 八大发展趋势 将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，但常用的压力传感器有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器，光纤压力传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。 压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。 电阻应变片
一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变 电阻应变片内部结构 片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变， 使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 惠斯通原理
智能压力传感器外文翻译文献 (文档含中英文对照即英文原文和中文翻译) 译文： 基于C8051F350的智能压力传感器的设计 摘要 为了克服传统的压力传感器的缺陷。设计一种智能压力传感器，根据组合物的应用范围的智能传感器系统中，进行温度校正，充分考虑共同的组件之间的连接参数协调，我们选择了一个良好的可用性、高可靠性和低成本元件，80C51单片机进行控制和处理，对于整个测量系统组成而言，该系统具有自动测量、放大、A / D转换的温度和压力参数、微弱信号的锁定放大、相敏检波（PSD）、共模信号抑制、采集到的信号消噪处理、交叉敏感的脱钩的功能，并能够将结果显示，它还具有自动自检、温度补偿和上侧的通信和其它功能。 关键词：压力传感器，锁-放大器;80C51F350的单片机硬件电路 手稿编号:1674-8042（2011）02-0157-04 DIO：10.3969/j.issn.1674-8042.2011.02.14
1 引言 随着时代的发展，电子计算机，自动化生产，调制解调器信息，军工，交通运输，化工，环保，能源，海洋开发，遥感，空间科学与技术，传感器的需求越来越大的发展，其应用已渗透进入该地区国民经济各个部门和人们的日常的日常文化生活。可以说，从太空到海洋，从各种复杂的工程系统的基本日常生活的必需品不能分开从各种传感器，传感器技术，为国民经济的日益发展，起着巨大的作用。然而。目前市场上销售的智能传感器有许多不足之处，如单天资讯指标和质量参差不齐。这样的设计总结了上述缺陷，以往的经验的基础上，使用锁相放大器，相敏检波，并巧妙地解决了有用信号从噪声中提取的低缺陷和问题的去耦的交叉灵敏度和使用的技术双电源供应电力，以及提高系统性能，增加新的故障诊断和使用一个共同的数字的接口技术和国际市场的通信协议等。因此，有非常广阔的应用前景。 2 系统硬件设计 智能传感器的传感器_信息的检测和处理。智能传感器包括收集，处理，交流信息的功能。它是集成传感器和微处理器的产品的组合。智能压力传感器的组合物，如图2.1所示。 图2.1 基于CS051F350的智能压力传感器框图 设计主要是提供了一个稳定的电源电压，结合单片机通过外围电路设计。然后，单RS485通信接口 电源 单片机（C8051F350） 温度传感器 锁定增强 压力传感器 传感器校正
前言 (1) 1 压力传感器 (1) 1.1压力传感器的简介 (1) 1.2 压力传感器的种类 (1) 1.3压力传感器的结构与特点 (1) 2 智能压力传感器 (1) 2.1智能压力传感器的构造 (1) 2.2智能压力传感器的作用 (2) 2.3智能压力传感器的优势 (2) 与传统传感器相比，智能压力传感器的特点是： (2) 2.4智能压力传感器的前景 (3) 3 智能压力传感器的系统设计 (3) 3.1系统结构整体设计 (3) 3.2系统的特点 (3) 4 系统硬件设计 (4) 4.1前端传感器模块 (4) 4.2信号调理电路模块 (5) 4.3 A/D转换模块 (5) 4.4微处理器 (8) 4.5显示模块 (9) 4.6温度补偿模块 (11) 4.7 硬件设计原理图 (11) 5软件程序设计 (16) 5.1软件程序语言介绍 (16) 5.2程序流程图 (16) 5.3 C语言程序设计 (16) 6问题与探究 (16) 7总结.......................................... 错误!未定义书签。
参考文献 (17)
前言 压力传感器是目前最为大众常见所知的传统传感器，这种传感器以压力形变为指标体现压力变化，这种结构传感器存在质量大，敏感度低，不能和电路器件相连使用等缺陷。随便科技的进步，半导体的迅猛发展，半导体压力传感器的诞生弥补了这些不足，半导体压力传感器，不仅体积小，重量轻，而且可以和电路元器件配套使用，从而大大的提高了智能化和可操作性。压力传感器大大的推动了传感器的发展，让人们能够更好的实现压力体现发展。 1 压力传感器 1.1压力传感器的简介 压力传感器是最为普遍的一种传感器，大多使用在各种自动化环境中，涉及到电力石化，军工科技，船舶制造，数码产品等多方面。一般压力传感器都是用模拟信号转换成输出信号，将输出信号转换为数值表现。这种转换方式大大的提高了工作效率。进而为智能化提供了强有力的发展基础。 1.2 压力传感器的种类 压力传感器通常分为以下几种：1；电容式，2；电阻式，3；压电式，4；电感式，5；智能式。智能式传感器是通过和微处理器相连，与传感器相结合，从而产生了智能化效果，它具有信号处理，信号记忆和逻辑思辨的能力。 1.3压力传感器的结构与特点 本次论文采用差压式电容传感器，电容式传感器灵敏度高，性价比高，操作简单，质量高，过载能力强，在极端环境下，能够稳定工作，提供持续的传感能力，保证了整个元器件工作，并把环境影响降到最低，特点鲜明。 2 智能压力传感器 2.1智能压力传感器的构造 智能压力传感器是利用精密机械制造工艺和集成电路原理，将智能芯片和传感器紧密结合在一个半导体原件上，与传统传感器相比，智能式传感器体积更小，质量小，适用围更大。整个智能压力传感器结构如下图所示；
实验二压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的： 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 二、基本原理： 扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。 图一压阻式压力传感器压力测量实验 三、需用器件与单元： 主机箱、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、引压胶管。 四、实验步骤： 1、将压力传感器安装在实验模板的支架上，根据图二连接管路和电路（主机箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好）。引压胶管一端插入主机箱面板上气源的快速接口中（注意管子拆卸时请用双指按住气源快速接口边缘往内压，则可轻松拉出），另一端口与压力传感器相连。压力传感器引线为4芯线： 1端接地线，2端为U0＋，3端接＋4V电源， 4端为Uo－，接线见图9-2。
2、实验模板上R W2用于调节放大器零位，R W1 调节放大器增益。按图9-2将实 验模板的放大器输出V02接到主机箱(电压表)的Vin插孔，将主机箱中的显示选 择开关拨到2V档，合上主机箱电源开关，R W1 旋到满度的1／3位置(即逆时针旋 到底再顺时针旋2圈)，仔细调节R W2 使主机箱电压表显示为零。 3、输入气压，压力上升到4Kpa左右时调节调节Rw2（低限调节），，使电压表显示为相应的0.4V左右。再仔细地反复调节旋钮使压力上升到19Kpa左右时调节差动放大器的增益电位器Rw1（高限调节），使电压表相应显示1.9V左右。 4、再使压力慢慢下降到4Kpa，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为相应的0.400V。再仔细地反复调节汽源使压力上升到19Kpa时调节差动放大器的增益电位器，使电压表相应显示1.900V。 5、重复步骤4过程，直到认为已足够精度时仔细地逐步调节流量计旋钮，使压力在4－19KPa之间变化，每上升3KPa气压分别读取电压表读数，将数值列于表1。 作业： 1、画出实验曲线，并计算本系统的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭所有电源。
北京XXX大学 实验报告 课程（项目）名称：实验三扩散硅压阻式压力传 感器实验 学院：专业： 班级：学号： 姓名：成绩： 2013年12月10日
一、任务与目的 了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和工作情况。 二、实验仪器（条件） 所需单元及部件：主、副电源、直流稳压电源、差动放大器、F/V显示表、压阻式传感器(差压)、压力计。 旋钮初始位置：直流稳压电源±4V档，F/V表切换开关置于2V档，差放增益适中或最大，主、副电源关闭。 三、原理（条件） 扩散硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，也就是在单晶硅的基片上用扩散工艺(或离子注入及溅射工艺)制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。 四、内容与步骤 （1）了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。（见附录三） (2) 如图３０A将传感器及电路连好，注意接线正确，否则易损坏元器件。 图３０A (3) 如图３０B接好传感器供压回路。 图３０B
(5) 将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧松。 （6）开启主、副电源，调整差放零位旋钮，使电压表指示尽可能为零，记下此时电压表读数(7) 拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊，电压表有压力指示时，记下此时的读数，并将数据填入表格中记录。 注：根据所得的结果计算系统灵敏度S= ΔV／ΔP，并作出V-P关系曲线，找出线性区域。 五、数据处理（现象分析） （1）拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊，电压表的读数随压力的变化如下表： （2）根据所得的结果计算系统灵敏度S= ΔV／ΔP，并作出V-P关系曲线，找出线性区域。 六、结论 通过实验进一步了解了扩散硅压阻式压力传感器的工作原理，并且观察了实过程中的工作状况，通过对实验数据的整理计算，得出实验仪器的灵敏度为S=92.35 V/Kpa
遥控器标定传感器的方法 如果传感器通电后，显示“4%”,无法标效请 先按以下步骤操作：连续按遥控器的“类+”当传 感器显示“PAD3”时停止，再连续按遥控器“页+” 当传感器显示“AD21”时停止，这里对传感器显 示的数值进行修改，例如传感器显示“31FF”，修 改为“51FF”，最后保存，重新通电起动，再按下 面传感器标效方法重新进行标效，(此时通气时传 感器显示值可能不会变，只需通气30S后，按标 气“10”步操作即可)如果传感顺没有此现象，无 须此操作。 1．严格按以下1-11条逐条进行，不管显示 页面显示什么，都逐条执行！ 2．严禁在不通气的情况下按“较准A”键！ 3．每次都按如下顺序执行 1、标气A 2、 浓度显示 2、清零 3、较准 标效步骤 1、给航空插头的1焊接电源的正，2焊接电源的 负极，电源电压范围9-24VDC，其它不用。 2、给传感器通电预热约20分钟（房间温度15度 以上）。 3、取传感器专用遥控器一只，把遥控器电池盖的 塑料绝缘片去掉，遥控器即可正常使用（注：遥控 器第一次使用时） 4、取传感器专用的标校头（一根约60mm长的细管） 和气体管路连接。 5、调整气体流量，使流量稳定在200ml每分钟（注：流量计必须经过校验）。 6、查看气瓶的气体浓度值，（一氧化碳250或甲烷2.00）气体。 7、按遥控器的“标气A键”后，传感器显示“AD90”，约1秒后显示标气A浓度。用数加数减和位加位减键修改数据等于标气的值（一氧化碳250或甲烷2.00），然后按“确认”在下次校准的任何时候，只要气瓶浓度一样时，不用重复本条。 8、再按“浓度显示”键，显P--1后再显示当前气体浓度。 9、零点校准：通清洁空气至少3分钟，按遥控器“功能校准B键”放开后紧接着按“清零”键后，传感器数码管亮闪一次，零点校准完成。 10、气体校准：通标准气体1分20秒左右，传感器的值稳定后，按遥控器“功能校准B键”放开后紧接着按“校准A”后，传感器数码管亮闪一次，显示校准的标气浓度，气体校准完成（如果传感器数值继续变化，可重复此步骤，直到稳定不变）。 11、如果只校准1次后检验的值不准确，可以重新标定后再次检验。按标准要求，一般需要重复第9-10条3次。每次的顺序位先清零再通气较准，再通空气再通检验气体。 12.传感器装置号，当传感器通电后，按“类+”，显示“P-2”，再继续按“页+”，当显示“P2-2”时停止，1秒后传感器显示“H001”即当前传感器为“1”号，可用遥控器数加数减和位加位减
本科生毕业设计（论文）开题报告题目：智能化压力传感器的设计 学院：环境与化学工程学院系化工系 专业：测控技术与仪器 班级： 学号： 姓名： 指导教师：刘诚 填表日期：年月日
一、选题的依据及意义 随着计算机技术和传感器技术的发展，两者的结合也愈来愈紧密，智能化传感器作为两者结合的新兴的研究方向，越来和越受到更多人的关注。近年来，虽然取得了一定的研究和开发成果，但是实际的需求还远远得不到满足。压力测控系统正急需发展，已经开发和使用的压力传感器在无法满足需求，智能化的压力传感器系统，即将信息采集、信息处理和数字通信功能集于一身，能自主管理的开发和使用具有巨大意义。 此次选题是打算对智能压力传感器系统理论及其压力测量方面的应用进行深入研究，提出对智能压力传感器的设计开发和设计。利用集成程度高，功能强大的新型微处理器控制压力传感器，微处理器内部集成大量模拟和数字外围模块，会具有很强大的数据处理能力。 此次论文将在对智能压力传感器系统的智能化功能深入研究的基础上，设计了较为完善的智能化软件，实现了自动增益控制、温度补偿、自动校准、总线数字通讯等多种智能化特性，使传感器具有较高的智能化程度。提出了利用传感元件自身特性实现温度补偿的算法以及对系统非线性补偿的算法。并对传感器系统进行了较全面的抗干扰和系统故障自诊断设计，保证了系统的稳定性和可靠性。提出一种带有程序判断的智能数字滤波算法，它既具有较好的平滑能力，又具有较快的响应速度。 本系统在软件上运用C语言编程，系统采用与PC机通信，完成数据转换、数据处理以及实时数据显示等功能，便于实现系统集中监控。 本研究设计的智能压力传感器系统具有体积小、成本低、可靠性好、响应速度快、智能化程度高等特点，通过仿真对软、硬件进行了充分的调试，效果良好，在众多压力测控系统中有着广阔的应用前景。 二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述） 传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每一项现代科学技术都离不开传感器。在工业、农业、国防、科技等各个领域，传感器技术都得到了广泛的应用，并展现出极其广阔的前景。因此。许多国家对传感器技术的发展十分重视。例如在日本传感器技术被列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导和传感器)之一?“，并且是将传感器列为十大技术之首；美国将90年代看作是传感器时代，将传感器技术列为90年代22项关键技术之一”“。我国对传感器的研究也有二十多年的历史并取得了很大的成就“?。目前，在“科学技术就是第一生产力”的思想指引下，各项科学技术取得了突飞猛进的发展，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某些方面已赶上或者接近世晃先进水平。但是从总体来看，与国外传感器技术的发展相比，我国对传感器技术的研究和生产还比较落后，现正处于方兴未艾的阶段。 据了解，1994年世界传感器市场总的交易额高达260亿美元，并且在2000年以的前，世界传感器市场规模年增幅为7％以上，其中高档的传感器增幅可达18％以上，而那些采用微机械加工技术和微系统技术等高新技术制造的各类型新型智能传感器．其年增长率可达30％以上。从市场销售情况来看，压力传感器占第一位。利用硅材料制作的半导体传感器除具有固体传感器的一般优点以外，还可以把一些集成电路与传感器制作在一起从而构成集成化传感器。集成电路部分若制作了微处理机，则形成智能化传感器。到目前为止，高精确度、高可靠性、小型化、低成本的智能传感器已成为世界传感器市场的主流。
四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。 1.2 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。 箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 材料的电阻变化率由下式决定： d d d R A R A ρρ=+ （1） 式中； R —材料电阻
由材料力学知识得； [(12)(12)]dR R C K μμεε=++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得 R L K K R L ε??== (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器 测高压用的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2 膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低ρ—材料电阻率
实验二扩散硅压阻式压力传感器实验模块 2.1实验目的： 实验2.1.1：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 工作原理：是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 转换原理： 在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，，形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。平时敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡，给电桥加一个恒定电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。 压阻效应: 当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。 实验2.1.2：了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。 2.2实验设备和元件： 2.2.1 实验设备：实验台所属各分离单元和导线若干。 2.2.2 其他设备：2号扩散压阻式压力传感器实验模块，14号交直流，全桥，测量，差动放大实验模块，数显单元20V，直流稳压源+5V，+_12V电源。 2.3实验内容： 2.3.1扩散压阻式压力传感器 一般介绍： 单晶硅材料在受到外力作用产生极微小应变时（一般步于400微应变），其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化（G因子突变）。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯凳电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一切硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转
气体传感器的标定 为了保证传感器的精度和系统的完整性，气体传感器需要被标定。传感器固定安装位置是很重要 的，位置必须使标定容易完成。标定的时间间隔依传感器的不同而不同。通常，传感器的制造厂商将建 议传感器的标定的时间间隔。然而，在传感器安装后的三十天，按照惯例应频繁的对传感器进行检查。 在这个周期内，观察该传感器是否适合新的环境。 同样，厂家并没有在系统的设计中说明传感器性能影响的因素。如果传感器的功能作用能连续大 约三十天，说明安装的可信度很高。在这段时间里，任何可能的问题都可确认和修改。经验说明：传感 器第一次安装后三十天，按照操作的希望值，完成传感器的各种功能。大多数问题如传感器位置的不适 合、其他气体的干扰、密度的降低，在这段时间里将会出现。 在前三十天，传感器应做周检察。而后，制定维修计划包括标定的时间间隔。正常情况下，每月 标定足以满足传感器的效率和灵敏度，同时月检察也能保证传感器的精度。 由上，传感器的标定方法和过程被立即确定。标定的过程简单、直接、容易。这种标定是一种简 单的安全检查，不象实验室分析仪要求很高的精度。为了某一区域气体的质量和安全，要求气体的监视 仪满足简单、可重复和经济。标定的过程将具有一致性和追溯性。标定的过程将在传感器安装的现场完 成。 气体传感器的标定包括两步骤：首先是"零点"设置；然后是"量程"的标定。 步骤1："零点"设置 定义气体的零点没有确定的标准。许多分析过程，包括一些特殊的分析过程如EPA方法，都使用纯 氮或纯人造气体来建立零点。这是因为这种瓶装氮气和人造气体容易获得。由于这个原因，人们普遍认 为使用瓶装氮气和人造气体是传感器零点设置的一种好方法。 不幸的是，这种方法不太准确。通常空气中除了含有氮气和氧气外，还含有微量的其他气体。同
实验十一 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验 一、实验目的： 了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器 压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V 、±15V 。 三、实验原理 在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X 形硅压力传感器如下图所示：在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。 扩散硅压力传感器的工作原理：在X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i ，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直电流方向将会产生电场变化i E ??=ρ，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo 。 i d E d U O ???=?=ρ （11-1） 式中d 为元件两端距离。 实验接线图如图11-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V 电源、4脚为Uo -；当P1>P2时，输出为正；P1
相关主题
文本预览