文/黃瑋芳 黃偉林 于陽

1 前言

壓力傳感器通過感應(yīng)的壓力并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，基于硅壓阻微機(jī)械加工系統(tǒng)技術(shù)和硅應(yīng)變技術(shù)，將填充凝膠的超小型壓力傳感器優(yōu)化，可應(yīng)用至先進(jìn)醫(yī)療保障、飛行器檢測(cè)以及重型設(shè)備等工業(yè)當(dāng)中。在溫度和壓力測(cè)量過程中，測(cè)溫和測(cè)壓會(huì)相互影響，局限傳感器工作的正常范圍，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行精度控制、信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償工作。

2 采用壓力傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力和溫度步驟

2.1 動(dòng)態(tài)壓力傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用芯感智公司的壓力傳感器.首先，在測(cè)定數(shù)據(jù)前需要對(duì)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？磦鞲衅麟娐肥欠裾_，進(jìn)行橋路監(jiān)測(cè)以及電壓擋零點(diǎn)檢測(cè)，看零點(diǎn)偏差是否超出范圍，再進(jìn)行加壓檢測(cè)給傳感器供電，檢查輸出端的電壓變化，最后以標(biāo)準(zhǔn)壓力源給傳感器施加壓力，測(cè)量壓力大小和輸出信號(hào)的變化，對(duì)傳感器進(jìn)行有效校準(zhǔn)和靜態(tài)溫度標(biāo)定，并將微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)確定階段溫度響應(yīng)特性，以數(shù)字濾波將動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍擴(kuò)展。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)操作

由傳感器IBMPC/AT計(jì)算機(jī)和試控配置器組成的測(cè)量系統(tǒng)，有模擬輸入輸出通道、轉(zhuǎn)換開關(guān)等，壓力傳感器輸出的壓力信號(hào)經(jīng)電路放大器從通道輸入，再由變換器轉(zhuǎn)化為模擬量，從另一通道輸出。此期間要注意壓力傳感器的精度變化，將非線性誤差和溫度漂移誤差降到最小。

2.3 測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍

壓力傳感器具有熱慣性的特征，在測(cè)量溫度時(shí)要擴(kuò)展其動(dòng)態(tài)范圍，且選擇測(cè)量精度時(shí)要和測(cè)量范圍相同。在現(xiàn)實(shí)不同溫度下使用傳感器還要考慮溫度漂移的影響，中低溫段為±2%，高濕段±4%，以濾波器的形式將傳感器輸出的溫度信號(hào)由一通道輸入后，以信息集成系統(tǒng)程序完成消除直流分量、放大信號(hào)、拓展范圍等工序，最后，在上述變換器中由原通道輸出溫度信號(hào)，精確測(cè)量瞬態(tài)溫度信號(hào)，縮小其中非線性誤差。

3 壓力傳感器溫度信號(hào)測(cè)定及動(dòng)態(tài)擴(kuò)展

3.1 溫度信號(hào)測(cè)定基本原理

壓力傳感器輸出的等效電阻會(huì)隨溫度變化達(dá)到一定規(guī)律，可得出溫度對(duì)電阻變化的系數(shù)影響。在溫度一定時(shí)，計(jì)算電阻值和它們的電阻溫度系數(shù)，當(dāng)一般恒流電源供電時(shí)，電流在電阻上產(chǎn)生壓降，引起相應(yīng)的溫度變化，并測(cè)算出壓降值和溫度變化之間存在的關(guān)系并以公式表達(dá)出來.而當(dāng)壓力傳感器在壓力與溫度場(chǎng)當(dāng)中測(cè)定時(shí)，橋路電源端的有效壓降即為溫度輸出的信號(hào)，另一端將壓力輸出信號(hào)放出。

3.2 同時(shí)測(cè)溫測(cè)壓注意事項(xiàng)

在壓力傳感器同時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力與溫度的過程中，壓力信號(hào)和溫度測(cè)定在橋路組織變化之中對(duì)輸出電阻值有一定影響，會(huì)產(chǎn)生誤差，影響總精度水平。此時(shí)常用評(píng)估法操作，將幅頻特性和相頻特性中的動(dòng)態(tài)誤差降到最小。在滿量程壓力信號(hào)作用下,可計(jì)算出當(dāng)溫度恒定時(shí)測(cè)壓信號(hào)所改變的輸出電阻的量，最后得出當(dāng)差動(dòng)增量不相等時(shí)引起的增量變化，以不對(duì)稱度為準(zhǔn)，當(dāng)不對(duì)稱度越小時(shí)，壓力傳感器的測(cè)溫測(cè)壓精度越高，此時(shí)測(cè)溫和測(cè)壓相互影響作用較小。

3.3 靜態(tài)溫度特性

考慮非線性誤差大小以及線性誤差大小、溫度變化及多次應(yīng)用后的好壞結(jié)果，由傳感器本身特點(diǎn)顯示，控制穩(wěn)定度在0～95℃溫度范圍之內(nèi)，保持壓力傳感器的靜態(tài)溫度性能指標(biāo)，達(dá)到一定靈敏度，并計(jì)算出其線性度、精度、重復(fù)性和溫漂程度，此時(shí)測(cè)壓點(diǎn)的壓力和溫度變化同時(shí)測(cè)量相互影響較小。

4 壓力傳感器溫度傳遞工作

4.1 傳遞函數(shù)的計(jì)算以及濾波器設(shè)置

壓力傳感器對(duì)溫度信號(hào)輸出的相應(yīng)特性，以圖表曲線形式表現(xiàn)出來，可算出其中的時(shí)間常數(shù)，用公式VEQ=IEQR表示出測(cè)溫系統(tǒng)傳遞函數(shù)。而在數(shù)字濾波器的設(shè)置中，由傳遞函數(shù)式測(cè)量系統(tǒng)頻帶充分?jǐn)U展，計(jì)算出在接入濾波器后總傳遞函數(shù)公式VEQ=1.5mA×1kΩ=1.5V，考慮輸出信號(hào)及輸入信號(hào)之間的變換關(guān)系，并以向后插分法求出變換值，得到數(shù)字濾波器的等效數(shù)值，最后得出測(cè)壓傳感器在溫度測(cè)定時(shí)的截止頻率和總截止頻率。

4.2 TURBOPASCAL程序端應(yīng)用

將壓力傳感器的測(cè)定溫度信號(hào)輸入IBM計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行放大信號(hào)執(zhí)行算式的作用，操作系統(tǒng)進(jìn)行低級(jí)調(diào)用功能，以內(nèi)嵌式語言匯編實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器設(shè)備設(shè)計(jì)，將底層軟件與硬件相結(jié)合，以過程和函數(shù)在單元部分定義實(shí)現(xiàn)通用程序設(shè)計(jì)語言，并將最后輸出的溫度信號(hào)及濾波系數(shù)值存入文件資料進(jìn)行圖表報(bào)備工作，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，在整體程序中擴(kuò)展內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)組編程。

4.3 測(cè)定數(shù)據(jù)分析

可對(duì)輸入離散信號(hào)代碼進(jìn)行運(yùn)算處理并改變信號(hào)頻譜，根據(jù)濾波器的參數(shù)要求設(shè)置對(duì)應(yīng)的模型，產(chǎn)生數(shù)字濾波器確定參數(shù)。在圖表中經(jīng)數(shù)字濾波器過后溫度階躍響應(yīng)指上升，以IBM系統(tǒng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行公式選出過程中的最佳值，并取不同時(shí)期的相應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果，以過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償兩種方式測(cè)定結(jié)果為主，在不斷擴(kuò)展后直流幅度相應(yīng)減小，利用數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，如出現(xiàn)超過1/2采樣頻率分量，將低通濾波器設(shè)置在電路轉(zhuǎn)換前，使超過的高頻成分進(jìn)一步濾除，最后得出平滑濾波和相應(yīng)放大后的溫度階躍響應(yīng)指數(shù)。

5 結(jié)束語

總體來說，在壓力傳感器同時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力和溫度過程中，從高頻動(dòng)態(tài)壓力傳感器設(shè)計(jì)入手，以主要測(cè)量系統(tǒng)壓力信號(hào)輸入，并轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，在此期間監(jiān)測(cè)溫度動(dòng)態(tài)范圍，并以信息集成消除分量和信號(hào)監(jiān)測(cè)。在壓力傳感器溫度信號(hào)測(cè)定及動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程中，根據(jù)公式測(cè)量出溫度對(duì)電阻變化的系數(shù)參定，同時(shí)測(cè)溫測(cè)壓變化中注意非線性、遲滯、重復(fù)性三項(xiàng)技能誤差，將不對(duì)稱度降到最小，減弱測(cè)溫和測(cè)壓的相互影響，以傳遞函數(shù)的計(jì)算機(jī)濾波器的設(shè)置有效進(jìn)行溫度傳遞工作，并應(yīng)用IBM計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，最后進(jìn)行圖表數(shù)據(jù)分析，將平滑濾波和溫度指數(shù)測(cè)定出來，進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)壓力和溫度測(cè)量。