壓力傳感器實(shí)驗(yàn)

壓力傳感器實(shí)踐模塊唐軍/p>

tangjun@鄭永秋hengyongqiu@潘梓文：18734920606290162366@ 李鑫：187349204822239293638@

實(shí)驗(yàn)要求：了解壓力傳感器及調(diào)理電路工作原理。掌握Protel99SE軟件的操作。畫(huà)出電路原理圖。畫(huà)出PCB版并進(jìn)行手動(dòng)布線。通過(guò)更改器件參數(shù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

應(yīng)用背景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，壓力傳感器在水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用空間。原理背景壓力傳感器是一種把非電量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的器件，主要有壓電式與壓阻式兩種，以壓阻式為例，說(shuō)明它的工作原理：壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，當(dāng)力作用于硅晶體時(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。壓力傳感器應(yīng)用示意圖壓阻式壓力傳感器工藝結(jié)構(gòu)型號(hào)選擇本次實(shí)驗(yàn)選用壓阻式壓力傳感器作為測(cè)量元件，它的測(cè)量參數(shù)為：1.量程0-10bar；2.使用環(huán)境可在惡劣環(huán)境下使用；3.測(cè)量介質(zhì)氣體；4.介質(zhì)溫度范圍-50-600；5.輸出信號(hào)0-5V；6.電器接頭常用的有線纜；7.接口形式G1/4內(nèi)螺紋；8.工作電壓24Vdc。另外，此傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①

頻率響應(yīng)高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)1.5兆赫以上),適于動(dòng)態(tài)測(cè)量;②

體積小（例如有的產(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米），適于微型化；

③

精度高，可達(dá)0.1～0.01％；

④

靈敏高,比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍，有些應(yīng)用場(chǎng)合可不加放大器；⑤

無(wú)活動(dòng)部件，可靠性高，能工作于振動(dòng)、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。幾種壓力傳感器實(shí)物壓力傳感器調(diào)理電路的分析與設(shè)計(jì)傳感器調(diào)理電路示意圖驅(qū)動(dòng)芯片ir2184開(kāi)關(guān)管電機(jī)模塊開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出信號(hào)電源模塊電源模塊電路原理圖：1.電源模塊每個(gè)電子設(shè)備都有一個(gè)供給能量的電源電路。電源電路有整流電源、逆變電源和變頻器三種。常見(jiàn)的家用電器中多數(shù)要用到直流電源。直流電源的最簡(jiǎn)單的供電方法是用電池。但電池有成本高、體積大、需要不時(shí)更換（蓄電池則要經(jīng)常充電）的缺點(diǎn)，因此最經(jīng)濟(jì)可靠而又方便的是使用整流電源。電子電路中的電源一般是低壓直流電，所以要想從220伏市電變換成直流電，應(yīng)該先把220伏交流變成低壓交流電，再用整流電路變成脈動(dòng)的直流電，最后用濾波電路濾除脈動(dòng)直流電中的交流成分后才能得到直流電。有的電子設(shè)備對(duì)電源的質(zhì)量要求很高，所以有時(shí)還需要再增加一個(gè)穩(wěn)壓電路。在我們的傳感器電路中，芯片需要+5V供電，而我們?cè)O(shè)計(jì)電源為10V，因此，需要一個(gè)電源模塊把外部電源轉(zhuǎn)換成+5V穩(wěn)定直流電。1.1電源模塊芯片選用及設(shè)計(jì)

LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。它與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過(guò)2個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)1.25~13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號(hào)。LM1117提供電流限制和熱保護(hù)。是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封裝。輸出端需要一個(gè)至少10uF的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。因此，我們選用1117-5組成電源模塊為電路提供+5V直流穩(wěn)壓供電。首先，我們?cè)诠╇姸私尤胍粋€(gè)發(fā)光二極管，用于判斷通電時(shí)電路是否有電流通過(guò)，二極管會(huì)對(duì)電源分壓，實(shí)際進(jìn)入電源模塊的電壓為供電電壓減去二極管的導(dǎo)通壓降。由于1117-5芯片已經(jīng)比較成熟，我們只需要在輸入輸出端接入旁路電容進(jìn)行去耦來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性即可輸出穩(wěn)定的+5V電壓。思考問(wèn)題：為什么不用穩(wěn)壓管？？？2.壓力傳感器MPM180MPM180型TO-8封裝壓阻式壓力敏感元件，采用先進(jìn)的離子注入工藝和微機(jī)械加工工藝，形成了惠斯登電橋和精密的力學(xué)結(jié)構(gòu)的硅敏感元件，以TO-8的形式封裝。被測(cè)壓力通過(guò)壓力傳接口作用在硅敏感原件上，實(shí)現(xiàn)了所加壓力與輸出電壓信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換。壓力傳感器由4個(gè)采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當(dāng)這些傳感器上沒(méi)有壓力時(shí)，橋中的所有電阻值都是相等的。當(dāng)有外力施加于電橋時(shí)，兩個(gè)相向電阻的阻值將增加，而另兩個(gè)電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。阻值改變時(shí)，輸出電壓將隨之改變。MPM180等效惠斯登電橋2.1惠斯通電橋的原理下圖為惠斯通電橋的原理圖，待測(cè)電阻Rx和R1、R2、R0四個(gè)電阻構(gòu)成電橋的四個(gè)“臂”，檢流計(jì)G連通的CD稱(chēng)為“橋”。當(dāng)AB端加上直流電源時(shí)，橋上的檢流計(jì)用來(lái)檢測(cè)其間有無(wú)電流及比較“橋”兩端（即CD端）的電位大小。調(diào)節(jié)R1、R2和R0，可使CD兩點(diǎn)的電位相等，檢流計(jì)G指針指零（即Ig=0），此時(shí)，電橋達(dá)到平衡。電橋平衡時(shí)，UAC=UAD，UBC=UBD，可以表示為I1R1=I2R2，IXRX=I0R0。因?yàn)镚中無(wú)電流，所以，I1=IX,，I2=I0,。上列兩式相除，得:即為電橋平衡條件。顯然，惠斯通電橋測(cè)電阻的原理，就是采用電壓比較法。由于電橋平衡須由檢流計(jì)示零表示，故電橋測(cè)量方法又稱(chēng)為零示法。當(dāng)電橋平衡時(shí)，已知三個(gè)橋臂電阻，就可以求得另一橋臂得待測(cè)電阻值。通常稱(chēng)R0為比較臂，R1/R2（即C）為比率（或倍率），Rx為電橋未知臂。在測(cè)量時(shí)，要先知道Rx得估測(cè)值，根據(jù)Rx的大小，選擇合適的比率系數(shù)，把R0調(diào)在預(yù)先估計(jì)的數(shù)值上，再細(xì)調(diào)R0使電橋平衡。

傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒(méi)有壓力施加于傳感器時(shí)存在輸出；增益誤差指?jìng)鞲衅鬏敵鱿鄬?duì)于施加于傳感器外力的敏感程度。由于壓力傳感器內(nèi)部等效為惠斯登電橋，即內(nèi)部電橋不平衡時(shí)，我們?cè)趥鞲衅魍獠窟B接4個(gè)電阻到4個(gè)橋上，通過(guò)調(diào)節(jié)R1到R4的阻值改變壓力傳感器內(nèi)部電橋平衡狀態(tài)，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時(shí)間變化不敏感，因此一旦傳感器得到校準(zhǔn)，在該傳感器生命期內(nèi)無(wú)需改變校準(zhǔn)系數(shù)就能滿足精度要求。但是，在每次上電時(shí)通常需要再次校準(zhǔn)系統(tǒng)。壓力傳感器模塊思考問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路？原理是什么？電路如何實(shí)現(xiàn)需要電路調(diào)試和測(cè)試標(biāo)定需要測(cè)試溫度系數(shù)??！3.放大電路模塊

典型傳感器一般規(guī)定激勵(lì)電壓為5V，具有20mV/V的標(biāo)稱(chēng)滿刻度輸出。這意味著在激勵(lì)電壓為5V時(shí)，標(biāo)稱(chēng)滿刻度輸出為：20mV/V×5V=100mV.輸出電壓太小會(huì)導(dǎo)致不容易檢測(cè)及受外界干擾較大，因此我們需要放大電路放大輸出信號(hào)。運(yùn)算放大器一般用反饋電阻調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需要的目的。

ad623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3v~+12v）下提供滿電源幅度輸出,ad623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程,以得到良好的用戶靈活性。在無(wú)外接電阻的條件下,ad623被設(shè)置為單位增益，外接電阻之后,ad623可編程設(shè)置增益,其增益最高可達(dá)1000倍。輸入信號(hào)加到作為電壓緩沖器的pnp晶體管上,并且提供一個(gè)共模信號(hào)到輸入放大器,每個(gè)放大器接入一個(gè)精確的50kΩ的反饋電阻,以保證增益可編程。差分輸出為:ad623內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

然后差分電壓通過(guò)輸出放大器轉(zhuǎn)變?yōu)閱味穗妷骸?腳的輸出電壓以5腳的電位為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量?；鶞?zhǔn)端(5腳)的阻抗是100kΩ,在需要電壓/電流轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中僅僅需要在5腳與6腳之間連接一只小電阻。+vs和-vs接雙極性電源(vs=±2.5v～±6v)或單電源(+vs=3.0v～12v,-vs=0)?？拷娫匆_處加電容去耦。去耦電容最好選用0.1μf的瓷片電容和10μf的鉭電解電容。ad623的增益g由rg進(jìn)行電阻編程,或更準(zhǔn)確的說(shuō),由1腳和8腳之間的阻抗來(lái)決定。g可以由以下公式計(jì)算:ad623內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖ad623的REF端為參考電壓端，為了匹配后級(jí)電路，可以在REF端加入電壓，使整體電壓得到提高，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。REF參考電壓可以使輸出電壓偏移，如輸入信號(hào)為±10mV，放大倍數(shù)100倍時(shí)，輸出電壓為±1V，在REF端加入2V參考電壓，輸出電壓改變?yōu)?V±1V。在電路中，通過(guò)調(diào)節(jié)REF與電源的分壓電阻來(lái)調(diào)整輸入的參考電壓大小。思考問(wèn)題：如何進(jìn)行放大倍數(shù)調(diào)諧？完成后靈敏度、量程如何？通過(guò)實(shí)際電路調(diào)試后和測(cè)試標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比?。?.濾波電路模塊

濾波器是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。在壓力傳感器中，由于震動(dòng)、聲音、溫度等環(huán)境因素都可能在系統(tǒng)中引入噪聲并通過(guò)放大器進(jìn)行放大，將會(huì)嚴(yán)重干擾電路的正常輸出，因此，我們需要引入濾波器模塊，用來(lái)剔除一定頻率范圍外的噪聲。一般需要測(cè)試的壓力變化頻率比較小，而噪聲的頻率可能很高，所以我們選用低通濾波器進(jìn)行濾波。以下為幾種低通濾波器的頻率響應(yīng)圖：4.1濾波電路模塊芯片選用及設(shè)計(jì)

上圖中濾波器的頻率響應(yīng)圖分別為巴特沃斯濾波器（左上）和同階第一類(lèi)切比雪夫?yàn)V波器（右上）、第二類(lèi)切比雪夫?yàn)V波器（左下）、橢圓函數(shù)濾波器（右下）。其中巴特沃斯濾波器的通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑，我們選用的MAX291為8階巴特沃思低通濾波器，在通頻帶內(nèi)，它的增益最穩(wěn)定，波動(dòng)小，主要用于儀表測(cè)量等要求整個(gè)通頻帶內(nèi)增益恒定的場(chǎng)合。

MAX291濾波器的時(shí)鐘信號(hào)既可由外部時(shí)鐘直接驅(qū)動(dòng)也可由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生。通過(guò)調(diào)整時(shí)鐘，截止頻率的調(diào)整范圍可以達(dá)0.1Hz~25kHz。使用外部時(shí)鐘時(shí)，無(wú)論是采用單電源供電還是雙電源供電，CLK可直接和采用+5V供電的CMOS時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的輸出相連。通過(guò)調(diào)整外部時(shí)鐘的頻率，可完成濾波器拐角頻率的實(shí)時(shí)調(diào)整。當(dāng)使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，振蕩器的頻率由接在CLK端上的電容VCOSC決定：MAX291波器既可用單電源工作也可用雙電源工作。雙電源供電時(shí)的電源電壓范圍為±2.375～±5.5V。在實(shí)際電路中一般要在正負(fù)電源和GND之間接一旁路電容。當(dāng)采用單電源供電時(shí)，V-端接地，而GND端要通過(guò)電阻分壓獲得一個(gè)電壓參考，該電壓參考的電壓值為1/2的電源電壓。MAX291允許的輸入信號(hào)的最大范圍為V--0.3V~V++0.3V。一般情況下在+5V單電源供電時(shí)輸入信號(hào)范圍取1V~4V。±5V雙電源供電時(shí)，輸入信號(hào)幅度范圍取±4V。如果輸入信號(hào)超過(guò)此范圍，總諧波失真THD和噪聲就大大增加；同樣如果輸入信號(hào)幅度過(guò)?。╒P-P＜1V），也會(huì)造成THD和噪聲的增加。通過(guò)調(diào)節(jié)放大電路的參考電壓，可以使上級(jí)輸出與濾波器輸入匹配。思考問(wèn)題：如何進(jìn)行濾波截止頻率調(diào)諧？進(jìn)行模擬計(jì)算？通過(guò)實(shí)際電路調(diào)試后和測(cè)試標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比！！設(shè)計(jì)任務(wù)：電路原理圖和PCB版圖。通