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压力传感器系统设计论文

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1电路的设计

1.1传感器激励的设计硅压阻式压力传感器内部结构为惠斯通电桥结构,可在恒压或者恒流模式下工作。由于硅压阻式传感器很容易受到温度的影响产生漂移,在恒压模式下随着温度的变化,传感器本身电阻R的变化会对信号产生影响,因此,选择恒流源作为传感器的激励[6]。传感器激励源的稳定与噪声大小直接影响着压力敏感元件的输出,因此,在确保低温漂、低噪声、驱动能力强的选型原则下,选择ADR4525基准源、AD8506运放构建驱动电路以及反馈电路。图2所示为传感器激励原理框图。

1.2温度补偿电路的设计温度补偿电路用于对温度发生变化时,敏感元件和构成信号调理电路各主要元器件的输入输出特性的补偿,温度补偿电路提供两类误温度漂移补偿:零点温度漂移补偿与灵敏度温度漂移补偿[7]。理想传感器的输出量与输入量关系。补偿的原理为将b,k调整到精确的某个值,最大限度消除温漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非线性成分。

1.2.1零点温度漂移补偿由温度引起零点变化而造成输出变化的元器件中,压力敏感元件所占比重最大,对零点补偿原理如图3所示,温度检测元件的输出作为补偿端与待补偿信号做加减运算[8],最终输出信号即为零点补偿后输出。该部分设计中,温度检测元件选择温度传感器AD590,AD590封装下、测量范围宽、输出线性,输出信号噪声仅为40pA,补偿信号不引入更多的噪声;同时由于温度传感器的输出以电流的形式输出,因此,需要通过高精密电阻器将其转换为电压信号后,与待补偿信号做加减运算,电阻器阻值的大小根据测量的零点漂移大小计算。

1.2.2灵敏度温度漂移补偿随着温度的变化传感器的满量程输出也会随之变化(即增益发生变化),从输出来看,该变化可归一为压力敏感元件的灵敏度发生变化,此时,需对传感器的增益特性进行温度补偿。补偿原理如图4所示,温度检测元件检测到温度变化后,及时调整激励源的基准[9],调整策略与增益温度特性互补,即增益降低,则增强激励源的基准,由激励源输出相应的恒流;同时可在敏感头的桥臂上串、并联电阻器调整增益特性。

1.3信号调理电路的设计信号调理电路用于将压力传感器输出的差分信号进行放大、滤波,原理图如图5所示。压阻式传感器输出的电压信号大多为mV级,采用仪表放大器AD8553对传感器输出的信号进行放大,AD8553为轨到轨输出,最大失调电压仅为20μV,在频响0.01~10Hz范围内噪声峰峰值为0.7μV,其中,R应大于3.92kΩ;同时由于SM5420输出的为差分信号,在仪表放大器的输入端需要添加抗射频干扰的滤波电路,如图5所示,若仪表放大器输入前滤波电路匹配不佳,输入的某些共模信号将转换为差模信号,因此,通常情况下所选的C2至少比C1或者C3大10倍,用于抑制滤波电路不匹配带来的杂散差分信号;基准源ADR4525为仪表放大器提供2.5V的参考电压,用于调整信号的零位。仪表放大器的输出信号需要进行滤波处理,这里采用MAX295芯片进行滤波,该芯片为8阶巴特沃斯滤波器,操作简单,只需提供输入时钟CLK则可任意控制滤波器的截止频率,输入时钟频率与截止频率的关系为50︰1。

1.4数据采集电路设计该部分电路主要是将补偿后的模拟信号通过A/D转换器AD8330将其转换成数字信号,AD8330为16位采样精度,采样率最高可达1MHz;采用已经使用成熟的微型处理器C8051F410进行数据采集和处理,微控制器通过SPI接口采集到量化后信号,同时通过RS—485总线转USB适配器与计算机进行通信。

2传感器标定与测试结果

压力传感器的标定主要是对零点和灵敏度的标定。将压力传感器安装到压力腔体内,共同放入高低温试验箱,打开高低温试验室箱并设置11个间隔均匀的温度值,在不同的温度梯度下使用压力泵对压力腔体打压,并记录压力传感器在零位和满量程时的输出值,采用最小二乘法对记录的值进行拟合[12],得到传感器的零点温度漂移值和灵敏度温度漂移值。根据得到的值调整补偿电路使传感器的输出满足要求。将经过补偿后的压力传感器放入高低温试验箱,高低温试验室箱内温度设置为25℃,在量程范围内设置10个均匀的压力测试点,将测试结果记录到表1中,采用最小二乘法拟合数据得到补偿后的传感器静态特性。通过Matlab拟合后得到传感器输入与输出的线性关系式为y=0.020x+2.454,如图6(a)所示;经过计算传感器的静态特性为非线性误差为0.043%,迟滞为0.062%,重复性为0.027%,精度为0.085%,如图6(b)所示,最大误差位于点0kPa处,偏差为0.00154V,故非线性度小于1.54/(20.29×175)=0.043%,满足设计的要求。在测试的过程中,由于一天当中大气压强的变化测试结果会受到影响。

3结束语

结合大量的工程实践,所设计的压力传感器的校准系统已成功用于某飞行器气动参数测试系统,性能稳定、安装简单。在微型化的基础上,实现了飞行器表面压力场分布的实时性测试,并且测试精度提高到了0.1%,实验数据表明:精度达到了要求,传感器的温度性能得到了改善,为飞行器和其它武器装备在恶劣环境下的研究提供了保障。

作者:石军辉李永红王恩怀单位:中北大学仪器与电子学院

压力传感器系统设计论文责任编辑:杨雪    阅读:人次