趙佳龍， 岳 宏， 夏 航， 丁鐘凱， 唐勝武

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱華云泰科傳感技術(shù)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

壓阻式壓力傳感器具有體積小、精度高、靈敏度好、響應(yīng)快、功耗低、可靠性高、易于小型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)，在航天、航空、生物、醫(yī)藥、船舶、石油、化工、鋼鐵等軍民用壓力測量領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1]。通常壓阻式壓力傳感器敏感部分由半導(dǎo)體材料構(gòu)成電橋結(jié)構(gòu)來感知壓力變化，由于半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)具有較大的溫度系數(shù)，所以,壓阻傳感器的輸出不可避免地受到工作環(huán)境溫度的影響[2]，從而直接影響到傳感器的實際性能指標(biāo)[3]。所以，在實際生產(chǎn)中，需要通過技術(shù)措施遏制溫度變化影響，改善傳感器的技術(shù)指標(biāo)及性能，即溫度補(bǔ)償技術(shù)。進(jìn)行溫度補(bǔ)償，降低傳感器溫度誤差并對信號進(jìn)行非線性修正是傳感器從設(shè)計到生產(chǎn)全過程的一項重要的工作[4,5]。

通過電橋補(bǔ)償方式在硬件方面直接對傳感器敏感部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償可以直接改進(jìn)傳感器基礎(chǔ)性能，幾乎不會改變傳感器動態(tài)特性[6]，利于控制成本。硬件補(bǔ)償需要對電橋電路提供穩(wěn)定電源，同時獲得電橋電路如各橋臂電阻、輸出等參數(shù)指標(biāo)，在傳感器生產(chǎn)過程中自動測量各項參數(shù)并實現(xiàn)對批次產(chǎn)品準(zhǔn)確測量的檢測系統(tǒng)，保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

本文設(shè)計了一種具有總線結(jié)構(gòu)、可以同時對96路壓阻式壓力傳感器進(jìn)行供電并檢測電橋電阻、輸入電流、輸出電壓等參數(shù)的檢測系統(tǒng)，對壓阻式壓力傳感器批量生產(chǎn)過程中實現(xiàn)溫度補(bǔ)償具有重要的作用和意義。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計主要包括多通道壓力傳感器檢測儀、數(shù)字電源、數(shù)字繁用表和計算機(jī)。系統(tǒng)整體構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

多通道壓力傳感器巡檢裝置是系統(tǒng)硬件主體，主要實現(xiàn)同時接入多路待測壓力傳感器，設(shè)計上可同時接入96路壓力傳感器，通過選擇電路輪詢檢測,為接入的壓力傳感器提供恒流源供電,以及通過現(xiàn)場RS—485總線與計算機(jī)連接通信，響應(yīng)計算機(jī)端發(fā)出的命令。

計算機(jī)為系統(tǒng)控制部分，主要是按照設(shè)定的流程或用戶指定命令控制多通道壓力傳感器巡檢裝置，測量前端壓力傳感器的橋臂電阻、工作電流、輸出電壓等參數(shù)，并實時讀取數(shù)字繁用表輸出，將測量數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)文件中用以補(bǔ)償、檢校等。

數(shù)字電源用來支持多通道壓力傳感器巡檢裝置中電路工作。

2 檢測原理

2.1 補(bǔ)償建模原理

壓阻式壓力傳感器的利用單晶硅或多晶硅的壓阻效應(yīng)。當(dāng)單晶硅或多晶硅材料在受外力作用時，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致其電阻率隨之改變的現(xiàn)象為壓阻效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體材料的電阻率發(fā)生變化會引起其電阻的相對變化。而電阻的變化量則不便于直接的測量，所以經(jīng)常需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌跈z測的電流或電壓的變化。設(shè)計中采用到了由4只電阻構(gòu)成的惠斯頓電橋[7]。

根據(jù)壓阻效應(yīng)，當(dāng)電阻受到應(yīng)力作用時，其電阻率將相應(yīng)發(fā)生改變。由于硅材料為多向異性，其壓阻系數(shù)與晶向有關(guān)，因此壓阻效應(yīng)通常表示為

(1)

式中σkl為外加作用力引起的應(yīng)力，k為應(yīng)力的作用方向，l為應(yīng)力方向，Δρij為電阻率，i為電場強(qiáng)度方向，j為電流密度方向，πijk為對應(yīng)于σkl的壓阻系數(shù)。

電阻的相對變化

(2)

式中πλ為縱向壓阻系數(shù)，πλ′為橫向壓阻系數(shù)，σλ為縱向應(yīng)力，σλ′為橫向應(yīng)力。πλ和πλ′與晶向有關(guān)，σλ和σλ′決定于膜片的受力狀態(tài)。

當(dāng)構(gòu)成壓力傳感器電橋上的4只電阻阻值相等，受力狀態(tài)的絕對值相等時，且在恒流源供電時，此時的電橋輸出

U=ΔRIo

(3)

式中 ΔR為電阻變化量,Io為供電電流。

由此輸出電壓與橋阻變化成正比。實際上壓力輸出靈敏度和電橋電阻隨溫度而變化，所以輸出幅值的溫度變化是壓力靈敏度與電橋電阻隨溫度變化的結(jié)果。通過構(gòu)建電橋電阻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)反饋疊加補(bǔ)償電橋電阻溫度系數(shù)，使輸出幅值獲得平衡，實現(xiàn)輸出幅值的溫度補(bǔ)償從而實現(xiàn)對傳感器輸出靈敏度的溫度補(bǔ)償[8]。

2.2 檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計了2×5開關(guān)矩陣，開關(guān)矩陣與數(shù)字繁用表測量端連接，通過計算機(jī)控制數(shù)字繁用表各測量檔切換，檢測電橋參數(shù)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中A、B接入數(shù)字繁用表測量端。I+、I-接傳感器供電，U+、U-接傳感器電橋輸出。

圖2 電橋檢測結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)用于96路傳感器檢測，設(shè)計上通過控制結(jié)構(gòu)，完全控制傳感器各接入點(diǎn)的輸入，通道檢測結(jié)構(gòu)如圖3所示。1、2、3、5各點(diǎn)與電橋供電和輸出端連接，3與4之間接入保護(hù)電阻。各控制端以及供電控制端通過巡檢裝置中處理器控制，實現(xiàn)按命令查詢檢測或整體輪詢檢測。

圖3 通道切換檢測結(jié)構(gòu)示意

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計上主要考慮供電單元、通信單元、電橋檢測單元、通道切換單元幾部分[9]。

供電方面需要保障多通道壓力傳感器巡檢裝置正常工作，同時各傳感器正常工作。電源采用5 V/12 V雙通道開關(guān)電源，其中5 V電源用于巡檢裝置供電，12 V電源用于驅(qū)動傳感器供電恒流源電路，該部分功率較大，電源額定電流3 A?？紤]到通常情況下壓阻式壓力傳感器上電后需要一段時間穩(wěn)定輸出，所以在待機(jī)狀態(tài)下，所有通道傳感器均上電保持工作狀態(tài)。同時能夠?qū)Σ煌瑴y量需求時進(jìn)行控制。傳感器供電設(shè)計及控制電路如圖4所示。

通信單元主要考慮到多通道壓力傳感器巡檢裝置中各功能模塊間通過RS—485現(xiàn)場總線通信，系統(tǒng)還需要與計算機(jī)通過RS—232與RS—485信號轉(zhuǎn)換連接。

圖4 傳感器供電及控制電路

電橋檢測單元電路包括4個部分。2個MCU模塊、1個驅(qū)動模塊和1個矩陣切換模塊。MCU通過RS—485電路與總線連接。MCU1模塊連接驅(qū)動模塊，用于控制矩陣開關(guān)，MCU2模塊檢測矩陣開關(guān)返回的開關(guān)信號，用以確定工作時開關(guān)狀態(tài)。MCU模塊電路如圖5所示。

圖5 MCU電路

通道切換單元電路包括MCU模塊、驅(qū)動模塊、選擇控制模塊。選擇控制模塊包括恒流供電模塊和選擇控制模塊。多通道壓力傳感器巡檢裝置共包括12個通道切換單元，每個通道切換單元包括8個獨(dú)立選擇控制模塊，來實現(xiàn)共96通道壓力傳感器檢測。通道切換單元是能夠?qū)崿F(xiàn)多通道查詢檢測和輪詢檢測的硬件基礎(chǔ)。圖6為構(gòu)成示意圖。

圖6 通道切換單元電路構(gòu)成

4 軟件設(shè)計

4.1 通信協(xié)議實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件需要完成兩方面內(nèi)容。在多通道巡檢裝置中，通過對C8051F410編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信，控制通道選擇以及返回工作狀態(tài)的功能。數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)[10，11]。

Modbus采用半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)通信采用Master/Slave(主/從)方式，Master端發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，Slave接收到正確消息后，發(fā)送數(shù)據(jù)到Master端以響應(yīng)請求；Master端可以直接發(fā)消息修改Slave端的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫[12]。

Modbus規(guī)約主要使用的是ASCII,RTU,TCP等，并沒有規(guī)定物理層。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用了RS—485接口方式，遵循RTU協(xié)議并在此基礎(chǔ)上規(guī)定了具體消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式。

數(shù)據(jù)報文格式定義如下：

主機(jī)查詢報文為：

地址功能碼寄存器地址高位寄存器地址低位寄存器數(shù)據(jù)高位寄存器數(shù)據(jù)低位校驗0x010x030x000x100x000x010xXX

從機(jī)應(yīng)答報文為：

地址功能碼字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)高字節(jié)數(shù)據(jù)低字節(jié)校驗0x010x030x020xXX0xXX0xXX

主機(jī)發(fā)送指令，訪問從站地址為1，使用功能碼03(讀保持寄存器)，起始地址高8位、低8位，表示想讀取的模擬量的起始地址。寄存器數(shù)量高8位、低8位，表示從起始地址開始讀多少個模擬量。錯誤校驗為CRC校驗。

從站應(yīng)答時，設(shè)備地址和命令號與主機(jī)查詢相同。返回的字節(jié)數(shù)，表示數(shù)據(jù)的字節(jié)個數(shù)。數(shù)據(jù)高低字節(jié)代表返回的1個數(shù)據(jù)的值。錯誤校驗為CRC校驗。

具體執(zhí)行的程序流程如圖7(a)所示。

圖7 軟件流程框圖

4.2 主機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)端軟件是系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄和運(yùn)算的主體。軟件通過LabVIEW完成設(shè)計[13～16]。通過配置參數(shù)信息，確定所需測量的各項參數(shù)；通過發(fā)送命令和接收狀態(tài)來控制系統(tǒng)工作；保存測量參數(shù)用于進(jìn)一步補(bǔ)償。軟件工作流程如圖7(b)所示，軟件工作界面如圖8所示。

圖8 計算機(jī)軟件界面

5 測試試驗

完成系統(tǒng)各模塊并調(diào)試組裝后，進(jìn)行了系統(tǒng)測試，測試了系統(tǒng)輪詢?nèi)?6個通道，完成檢測及數(shù)據(jù)存儲的工作時間為98 min，大大提高工作效率。測試了壓阻式壓力傳感器電橋輸入電流，橋臂電阻電橋輸出電壓，表1為部分檢測結(jié)果，實測表明，系統(tǒng)能夠按照設(shè)計目標(biāo)為待測傳感器提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的恒流供電，準(zhǔn)確測量各待測參數(shù)。

表1 部分實驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

本文通過分析壓阻式壓力傳感器工作原理和溫度補(bǔ)償方法及過程，建立了自動補(bǔ)償參數(shù)采集模型，設(shè)計了一種多通道壓阻式壓力傳感器檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動完成壓阻式壓力傳感器溫度補(bǔ)償過程中電橋參數(shù)自動檢測，同時為傳感器提供精度高、穩(wěn)定性好的電流源，保證檢測精度，極大簡化檢測過程，提高檢測效率，為傳感器溫度補(bǔ)償提供高效可靠的檢測方法。同時該系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。