【摘要】壓力檢測傳感器在秤體設(shè)計(jì)以及測量領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用。壓力傳感器主要是實(shí)現(xiàn)壓力信號到電信號的轉(zhuǎn)換，在實(shí)際應(yīng)用過程中可以通過電橋電路以及信號調(diào)理電路對電信號進(jìn)行處理，在綜合應(yīng)用各類控制器及驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上就可以實(shí)現(xiàn)測量等工程方面的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】壓力傳感器；檢測；線性；設(shè)計(jì)；研究

1.引言

對壓力的檢測在測量以及相關(guān)的工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。重量壓力是自然界中重要的基本物理量，實(shí)現(xiàn)對壓力的測量在實(shí)際系統(tǒng)中就顯得尤為重要。壓力測量一般包含信號采集、信號的調(diào)理以及控制輸出等組成部分，可以構(gòu)成工業(yè)檢測以及生活中的多種產(chǎn)品應(yīng)用，

2.壓力傳感器特性分析

2.1 壓力傳感器基本特性

壓力傳感器是工業(yè)系統(tǒng)中最為常用的基本測試元件之一?？梢詫?shí)現(xiàn)壓力到模擬電信號之間的能量形式轉(zhuǎn)換。目前廣泛應(yīng)用的壓力傳感器都是采用壓電效應(yīng)制作而成。現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)中要求具有電學(xué)輸出，目前應(yīng)用較為廣泛的是半導(dǎo)體壓力傳感器，隨著MEMS技術(shù)的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體壓力傳感器呈現(xiàn)出功耗不斷降低、可靠性不斷增強(qiáng)的特點(diǎn)。半導(dǎo)體壓力傳感器主要有半導(dǎo)體電阻型以及凈電容量兩種基本類型，其核心原理都是通過電壓改變本身的參數(shù)，從而達(dá)到改變輸出電氣信號的目的。對于壓力傳感器一般從最大壓力范圍、線性度以及壓力遲滯等多個(gè)方面進(jìn)行評估。在實(shí)際的應(yīng)用中要能夠保證產(chǎn)品的工作范圍在傳感器壓力測量范圍之內(nèi)，同時(shí)要能夠以良好的線性度保證測量的精度度。

2.2 壓力傳感器特性測試

以目前廣泛使用的MOTOROLA公司的MPXAZ6115A壓力傳感器為例，對其輸出特性（輸出電壓與壓力以及工作環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)換誤差之間的關(guān)系）。MPXAZ6115A對于工作環(huán)境溫度、濕度的影響具有較強(qiáng)的抑制作用，在工作溫度較高的情況下也能夠保持較高的轉(zhuǎn)換精度，在0-85°C的溫度范圍內(nèi)能夠保證不超過1.5%，同時(shí)產(chǎn)品能夠與處理器以及控制器完全兼容，并具有適合精密產(chǎn)品開發(fā)的SMT封裝形式。其內(nèi)部電路原理圖如圖1所示。

對于壓力傳感器的測試主要是對其壓力以及輸出電壓的線性度進(jìn)行測試，在測試中溫度也是影響壓力傳感器輸出的重要因素，在因此在測試過程中采用在最低溫度、典型室溫以及最大溫度下的測量，對傳感器在其溫度工作范圍進(jìn)行了測試，考慮到其參數(shù)得到的測試曲線如圖2所示。

3.壓力傳感器的應(yīng)用研究設(shè)計(jì)

3.1 壓力傳感器的應(yīng)用研究

壓力傳感器在航空器高度檢測、工業(yè)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制以及日常生活壓力測試中具有重要的應(yīng)用。在航空器的高度檢測中可以通過測量空氣的壓強(qiáng)，并以此為依據(jù)來得出實(shí)時(shí)的高度，同時(shí)在工業(yè)控制中也需要對壓力進(jìn)行檢測，控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。日常生活中測量壓力的電路原理圖如圖3所示。

在本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，采用了電橋電路有效提升了測試精度，同時(shí)采用了基于IC1，IC2以及IC3的差分運(yùn)算放大器有效抑制了電路工作過程中共模干擾，最后通過IC4組成的運(yùn)放將輸出電壓進(jìn)行規(guī)劃，保證符合AD電路的輸入要求，最后控制器控制顯示單元進(jìn)行重量測量結(jié)果的顯示。

3.2 壓力傳感器應(yīng)用過程中的誤差處理

壓力傳感器的轉(zhuǎn)換精度對于電路測量的效果具有重要的影響。首先是在壓力測量范圍內(nèi)，由于垂直方向的位移量保持恒定，因此在變頻器擴(kuò)散以及激光調(diào)節(jié)中將會產(chǎn)生一定的偏移量誤差，其次就是線性度誤差，該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性，但對于帶放大器的傳感器，還應(yīng)包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線稱重傳感器。同時(shí)還有靈敏度誤差，所謂靈敏度的誤差就是壓力的大小與誤差的大成正比，因此傳感器的輸出就必須就是一個(gè)復(fù)雜函數(shù)，誤差的產(chǎn)生原因在于擴(kuò)散過程的變。

對于壓力傳感誤差的處理有硬件電路優(yōu)化以及軟件補(bǔ)償兩個(gè)方面。硬件電路主要是應(yīng)用性能優(yōu)越的芯片、電子元器件進(jìn)行電路性能的優(yōu)化。如采用差分電路減小輸出的共模干擾，應(yīng)用電橋進(jìn)行測試精度的提升等。軟件補(bǔ)償就是應(yīng)用微處理器的豐富軟件功能，根據(jù)誤差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，對傳感器帶來的誤差進(jìn)行有效的修正。軟件補(bǔ)償算法中一般采用曲線擬合以及表格兩種方案。采用曲線擬合的方案時(shí)，可以使用切比雪夫法進(jìn)行誤差估計(jì)以及估計(jì)函數(shù)的建立，或者采用最小二乘法進(jìn)行最佳擬合直線或者多項(xiàng)式曲線擬合，目前隨著計(jì)算機(jī)處理以及MCU處理能力的不斷提升，廣泛采用的最小二乘法進(jìn)行曲線的擬合，通過軟件的補(bǔ)償可以對測試系統(tǒng)的誤差進(jìn)行有效修正，減小測試過程中傳感器轉(zhuǎn)換誤差帶來的影響。

4.結(jié)論

作為工業(yè)控制、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及日常生活中重要的基本物理量，重量的測量具有重要的意義。壓力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)壓力信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)過程中，首先要根據(jù)測量要求選擇參數(shù)合理的傳感器，并對傳感器進(jìn)行特性檢測，總結(jié)輸入與輸出之間的函數(shù)關(guān)系，為軟件設(shè)計(jì)提供重要的參考。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中，要能夠采用硬件電路優(yōu)化以及軟件補(bǔ)償?shù)姆桨?，對測量過程中的干擾進(jìn)行有效的抑制，提升產(chǎn)品的精度。

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基金項(xiàng)目：江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學(xué)者計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013）。

作者簡介：錢松（1982—），男，江蘇姜堰人，揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師，研究方向：電路設(shè)計(jì)，信號處理等。