壓力傳感器論文new

1、壓力傳感器論文 班級(jí)：電子092 姓名：李志華 學(xué)號(hào)：2009131018 指導(dǎo)教師：齊懷琴摘要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息處理技術(shù)也在不斷發(fā)展完善。但作為提供信息的傳感器，它的發(fā)展相對(duì)于計(jì)算機(jī)的信息處理功能來(lái)說(shuō)就落后了。這使得自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)受到影響，而檢測(cè)技術(shù)是人類認(rèn)識(shí)世界和改造科技不可少的重要手段壓電式壓力傳感器原理基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加

2、電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電式壓力傳感器的種類和型號(hào)繁多，按彈性敏感元件和受力機(jī)構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測(cè)壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測(cè)壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)對(duì)傳感器的性能出越來(lái)越高的要求。關(guān)鍵字：零點(diǎn)漂移，靈敏度溫漂，壓力傳感器 引言：傳感器技術(shù)在當(dāng)代科技領(lǐng)域中占有十分重要的地位，是21世紀(jì)人們?cè)诟咝录夹g(shù)發(fā)展方面爭(zhēng)奪的一個(gè)制高點(diǎn)，在國(guó)外各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感器技術(shù)視為現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)

3、展的關(guān)鍵。從20世紀(jì)80年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高打撈技術(shù)之首，美國(guó)等西方國(guó)家也將傳感器的基本知識(shí)列為國(guó)家科技和國(guó)防技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容。當(dāng)前，世界上正面臨著一場(chǎng)新的技術(shù)革命，這場(chǎng)革命的主要基礎(chǔ)就是信息技術(shù)。信息技術(shù)的發(fā)展給人類社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)及各個(gè)領(lǐng)域都帶來(lái)了巨大的、廣泛的、深刻的變化，是當(dāng)今人類社會(huì)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。并且正在改變著傳統(tǒng)工業(yè)的生產(chǎn)方式，帶動(dòng)著傳統(tǒng)工業(yè)和其他新興產(chǎn)業(yè)的更新和變革。在軍事國(guó)防、航空航天、海洋開(kāi)發(fā)、生物工程、醫(yī)療保健、商檢質(zhì)檢、環(huán)境保護(hù)、安全范圍、家用電器等方面，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目也都離不開(kāi)傳感器技 。壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器

4、，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。壓力傳感器原理：壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微?。ㄒ簿驼f(shuō)壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。合理進(jìn)行壓力傳感器的誤差補(bǔ)償是其應(yīng)用的關(guān)鍵。壓力傳感器主要有偏移

5、量誤差、靈敏度誤差、線性誤差和滯后誤差，本文將介紹這四種誤差產(chǎn)生的機(jī)理和對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，同時(shí)將介紹為提高測(cè)量精度的壓力標(biāo)定方法以及應(yīng)用實(shí)例。      目前市場(chǎng)上傳感器種類豐富多樣，這使得設(shè)計(jì)工程師可以選擇系統(tǒng)所需的壓力傳感器。這些傳感器既包括最基本的變換器，也包括更為復(fù)雜的帶有片上電路的高集成度傳感器。由于存在這些差異，設(shè)計(jì)工程師必須盡可能夠補(bǔ)償壓力傳感器的測(cè)量誤差，這是保證傳感器滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求的重要步驟。在某些情況下，補(bǔ)償還能提高傳感器在應(yīng)用中的整體性能。     本文以摩托羅拉公司的

6、壓力傳感器為例，所涉及的概念適用于各種壓力傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。     摩托羅拉公司生產(chǎn)的主流壓力傳感器是一種單片壓阻器件，該器件具有3類：         1. 基本的或未加補(bǔ)償標(biāo)定；     2. 有標(biāo)定并進(jìn)行溫度補(bǔ)償；     3. 有標(biāo)定、補(bǔ)償和放大。      

7、   偏移量、范圍標(biāo)定以及溫度補(bǔ)償均可以通過(guò)薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，這種薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)在封裝過(guò)程中采用激光修正。         該傳感器通常與微控制器結(jié)合使用，而微控制器的嵌入軟件本身建立了傳感器數(shù)學(xué)模型。微控制器讀取了輸出電壓后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的變換，該模型可以將電壓量轉(zhuǎn)換為壓力測(cè)量值。         傳感器最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型即為傳遞函數(shù)。該模型可在整個(gè)標(biāo)定過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，并且模型的成熟度將

8、隨標(biāo)定點(diǎn)的增加而增加。         從計(jì)量學(xué)的角度看，測(cè)量誤差具有相當(dāng)嚴(yán)格的定義：它表征了測(cè)量壓力與實(shí)際壓力之間的差異。而通常無(wú)法直接得到實(shí)際壓力，但可以通過(guò)采用適當(dāng)?shù)膲毫?biāo)準(zhǔn)加以估計(jì)，計(jì)量人員通常采用那些精度比被測(cè)設(shè)備高出至少10倍的儀器作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。         由于未經(jīng)標(biāo)定的系統(tǒng)只能使用典型的靈敏度和偏移值將輸出電壓轉(zhuǎn)換為壓力，測(cè)得的壓力將誤差。     

9、;    這種未經(jīng)標(biāo)定的初始誤差由以下幾個(gè)部分組成：         a. 偏移量誤差。由于在整個(gè)壓力范圍內(nèi)垂直偏移保持恒定，因此變換器擴(kuò)散和激光調(diào)節(jié)修正的變化將產(chǎn)生偏移量誤差。         b. 靈敏度誤差，產(chǎn)生誤差大小與壓力成正比。如果設(shè)備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數(shù)(見(jiàn)圖1)。如果靈敏度低于典型值，那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函

10、數(shù)。該誤差的產(chǎn)生原因在于擴(kuò)散過(guò)程的變化。         c. 線性誤差。這是一個(gè)對(duì)初始誤差影響較小的因素，該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性，但對(duì)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。         d. 滯后誤差：在大多數(shù)情形中，滯后誤差完全可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣杵哂泻芨叩臋C(jī)械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。 

11、        標(biāo)定可消除或極大地減小這些誤差，而補(bǔ)償技術(shù)通常要求確定系統(tǒng)實(shí)際傳遞函數(shù)的參數(shù)，而不是簡(jiǎn)單的使用典型值。電位計(jì)、可調(diào)電阻以及其他硬件均可在補(bǔ)償過(guò)程中采用，而軟件則能更靈活地實(shí)現(xiàn)這種誤差補(bǔ)償工作。         一點(diǎn)標(biāo)定法可通過(guò)消除傳遞函數(shù)零點(diǎn)處的漂移來(lái)補(bǔ)償偏移量誤差，這類標(biāo)定方法稱為自動(dòng)歸零。         偏移量標(biāo)定通

12、常在零壓力下進(jìn)行，特別是在差動(dòng)傳感器中，因?yàn)樵跇?biāo)稱條件下差動(dòng)壓力通常為0。對(duì)于純傳感器，偏移量標(biāo)定則要困難一些，因?yàn)樗葱枰粋€(gè)壓力讀取系統(tǒng)，用以測(cè)量其在環(huán)境大氣壓力條件下的標(biāo)定壓力值，要么需要獲取期望壓力的壓力控制器。         差動(dòng)傳感器的零壓力標(biāo)定非常精確，因?yàn)闃?biāo)定壓力嚴(yán)格為0。另一方面，壓力不為0時(shí)的標(biāo)定精確度取決于壓力控制器或測(cè)量系統(tǒng)的性能。         選擇標(biāo)定壓力  &#

13、160;      標(biāo)定壓力的選取非常重要，因其決定了獲取最佳精度的壓力范圍。實(shí)際上，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后實(shí)際的偏移量誤差在標(biāo)定點(diǎn)處最小并一直保持較小的值。因此，標(biāo)定點(diǎn)必須根據(jù)目標(biāo)壓力范圍加以選擇，而壓力范圍可以不與工作范圍相一致。         為了將輸出電壓轉(zhuǎn)換為壓力值，由于實(shí)際的靈敏度往往是未知，因此在數(shù)學(xué)模型中通常采用典型靈敏度進(jìn)行單點(diǎn)標(biāo)定。         

14、;紅色曲線表示進(jìn)行偏移量標(biāo)定(PCAL=0)后的誤差曲線，可以發(fā)現(xiàn)誤差曲線相對(duì)于表示標(biāo)定前誤差的黑色曲線產(chǎn)生了垂直偏移。         這種標(biāo)定方法與一點(diǎn)標(biāo)定法相比要求更為嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)成本也更高。然而與一點(diǎn)標(biāo)定法相比，該方法可顯著提高系統(tǒng)的精度，因?yàn)樵摲椒ú粌H標(biāo)定了偏移量，還標(biāo)定了傳感器的靈敏度。因此在誤差計(jì)算中可以使用靈敏度實(shí)際值，而非典型值。         綠色曲線表示精度提高。在這里，標(biāo)定是在0至500兆巴(

15、滿標(biāo)度)條件下進(jìn)行。由于在標(biāo)定點(diǎn)上誤差接近于0，因此為了在期望的壓力范圍內(nèi)得到最小的測(cè)量誤差，正確地設(shè)定這些點(diǎn)就顯得尤為重要。         某些應(yīng)用中要求在整個(gè)壓力范圍內(nèi)保持較高的精確度。在這些應(yīng)用中，可以采用多點(diǎn)標(biāo)定法來(lái)得到最理想的結(jié)果。在多點(diǎn)標(biāo)定法中，不僅考慮了偏移量和靈敏度誤差，還考慮了大部分的線性誤差，紫紅色曲線所示。這兒用的數(shù)學(xué)模型與每個(gè)標(biāo)定間距(在兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之間)的兩級(jí)標(biāo)定完全一樣。         

16、三點(diǎn)標(biāo)定         如前所述，線性誤差具有一致的形式，且誤差曲線符合二次方程的曲線，具有可預(yù)測(cè)的大小和形狀。對(duì)于未采用放大器的傳感器更是如此，因?yàn)閭鞲衅鞯姆蔷€性從本質(zhì)上是基于機(jī)械原因(這是由硅片的薄膜壓力引起)。         線性誤差特性的描述可以通過(guò)計(jì)算典型實(shí)例的平均線性誤差，確定多項(xiàng)式函數(shù)(a×2+bx+c)的參數(shù)而得到。確定了a、b和c后得到的模型對(duì)于相同類型的傳感器都是有效的。該方法能在無(wú)需第3個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的情況下有效地補(bǔ)償線性誤差。         摩托羅拉MPX2300的補(bǔ)償實(shí)例，MPX2300是一種主要應(yīng)用于血壓測(cè)量的溫度補(bǔ)償傳感器。多項(xiàng)式模型可由10個(gè)傳感器的平均線性誤差得到，補(bǔ)償后的誤差約為最大初始線性誤差的十至二十分之一 。         該誤差補(bǔ)償方法只需兩點(diǎn)標(biāo)定即可將低成本傳感器改進(jìn)