壓力傳感器實驗

壓力傳感器實踐模塊唐軍/p>

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

實驗要求：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。畫出電路原理圖。畫出PCB版并進行手動布線。通過更改器件參數(shù)達到實驗要求。

應用背景隨著現(xiàn)代科學技術(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)療等多個領域中有著非常廣闊的應用空間。原理背景壓力傳感器是一種把非電量轉(zhuǎn)變成電信號的器件，主要有壓電式與壓阻式兩種，以壓阻式為例，說明它的工作原理：壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術(shù)制成的傳感器，當力作用于硅晶體時，晶體的晶格產(chǎn)生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動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。壓力傳感器應用示意圖壓阻式壓力傳感器工藝結(jié)構(gòu)型號選擇本次實驗選用壓阻式壓力傳感器作為測量元件，它的測量參數(shù)為：1.量程0-10bar；2.使用環(huán)境可在惡劣環(huán)境下使用；3.測量介質(zhì)氣體；4.介質(zhì)溫度范圍-50-600；5.輸出信號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：①

頻率響應高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達1.5兆赫以上),適于動態(tài)測量;②

體積小（例如有的產(chǎn)品外徑可達0.25毫米），適于微型化；

③

精度高，可達0.1～0.01％；

④

靈敏高,比金屬應變計高出很多倍，有些應用場合可不加放大器；⑤

無活動部件，可靠性高，能工作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環(huán)境。幾種壓力傳感器實物壓力傳感器調(diào)理電路的分析與設計傳感器調(diào)理電路示意圖驅(qū)動芯片ir2184開關管電機模塊開關信號輸出信號電源模塊電源模塊電路原理圖：1.電源模塊每個電子設備都有一個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。常見的家用電器中多數(shù)要用到直流電源。直流電源的最簡單的供電方法是用電池。但電池有成本高、體積大、需要不時更換（蓄電池則要經(jīng)常充電）的缺點，因此最經(jīng)濟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，應該先把220伏交流變成低壓交流電，再用整流電路變成脈動的直流電，最后用濾波電路濾除脈動直流電中的交流成分后才能得到直流電。有的電子設備對電源的質(zhì)量要求很高，所以有時還需要再增加一個穩(wěn)壓電路。在我們的傳感器電路中，芯片需要+5V供電，而我們設計電源為10V，因此，需要一個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計

LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調(diào)電壓的版本，通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.25~13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。LM1117提供電流限制和熱保護。是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。電路包含1個齊納調(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。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(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，我們在供電端接入一個發(fā)光二極管，用于判斷通電時電路是否有電流通過，二極管會對電源分壓，實際進入電源模塊的電壓為供電電壓減去二極管的導通壓降。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行去耦來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性即可輸出穩(wěn)定的+5V電壓。思考問題：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，采用先進的離子注入工藝和微機械加工工藝，形成了惠斯登電橋和精密的力學結(jié)構(gòu)的硅敏感元件，以TO-8的形式封裝。被測壓力通過壓力傳接口作用在硅敏感原件上，實現(xiàn)了所加壓力與輸出電壓信號的線性轉(zhuǎn)換。壓力傳感器由4個采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當這些傳感器上沒有壓力時，橋中的所有電阻值都是相等的。當有外力施加于電橋時，兩個相向電阻的阻值將增加，而另兩個電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。阻值改變時，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，待測電阻Rx和R1、R2、R0四個電阻構(gòu)成電橋的四個“臂”，檢流計G連通的CD稱為“橋”。當AB端加上直流電源時，橋上的檢流計用來檢測其間有無電流及比較“橋”兩端（即CD端）的電位大小。調(diào)節(jié)R1、R2和R0，可使CD兩點的電位相等，檢流計G指針指零（即Ig=0），此時，電橋達到平衡。電橋平衡時，UAC=UAD，UBC=UBD，可以表示為I1R1=I2R2，IXRX=I0R0。因為G中無電流，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示零表示，故電橋測量方法又稱為零示法。當電橋平衡時，已知三個橋臂電阻，就可以求得另一橋臂得待測電阻值。通常稱R0為比較臂，R1/R2（即C）為比率（或倍率），Rx為電橋未知臂。在測量時，要先知道Rx得估測值，根據(jù)Rx的大小，選擇合適的比率系數(shù)，把R0調(diào)在預先估計的數(shù)值上，再細調(diào)R0使電橋平衡。

傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒有壓力施加于傳感器時存在輸出；增益誤差指傳感器輸出相對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，我們在傳感器外部連接4個電阻到4個橋上，通過調(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)，達到校準的目的。給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時間變化不敏感，因此一旦傳感器得到校準，在該傳感器生命期內(nèi)無需改變校準系數(shù)就能滿足精度要求。但是，在每次上電時通常需要再次校準系統(tǒng)。壓力傳感器模塊思考問題：如何設計溫度補償電路？原理是什么？電路如何實現(xiàn)需要電路調(diào)試和測試標定需要測試溫度系數(shù)??！3.放大電路模塊

典型傳感器一般規(guī)定激勵電壓為5V，具有20mV/V的標稱滿刻度輸出。這意味著在激勵電壓為5V時，標稱滿刻度輸出為：20mV/V×5V=100mV.輸出電壓太小會導致不容易檢測及受外界干擾較大，因此我們需要放大電路放大輸出信號。運算放大器一般用反饋電阻調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，以達到實際應用需要的目的。

ad623是一個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允許使用單個增益設置電阻進行增益編程,以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下,ad623被設置為單位增益，外接電阻之后,ad623可編程設置增益,其增益最高可達1000倍。輸入信號加到作為電壓緩沖器的pnp晶體管上,并且提供一個共模信號到輸入放大器,每個放大器接入一個精確的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腳的電位為基準進行測量?；鶞识?5腳)的阻抗是100kΩ,在需要電壓/電流轉(zhuǎn)換的應用中僅僅需要在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進行電阻編程,或更準確的說,由1腳和8腳之間的阻抗來決定。g可以由以下公式計算: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，如輸入信號為±10mV，放大倍數(shù)100倍時，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，通過調(diào)節(jié)REF與電源的分壓電阻來調(diào)整輸入的參考電壓大小。思考問題：如何進行放大倍數(shù)調(diào)諧？完成后靈敏度、量程如何？通過實際電路調(diào)試后和測試標定數(shù)據(jù)對比?。?.濾波電路模塊

濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。在壓力傳感器中，由于震動、聲音、溫度等環(huán)境因素都可能在系統(tǒng)中引入噪聲并通過放大器進行放大，將會嚴重干擾電路的正常輸出，因此，我們需要引入濾波器模塊，用來剔除一定頻率范圍外的噪聲。一般需要測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行濾波。以下為幾種低通濾波器的頻率響應圖：4.1濾波電路模塊芯片選用及設計

上圖中濾波器的頻率響應圖分別為巴特沃斯濾波器（左上）和同階第一類切比雪夫濾波器（右上）、第二類切比雪夫濾波器（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，波動小，主要用于儀表測量等要求整個通頻帶內(nèi)增益恒定的場合。

MAX291濾波器的時鐘信號既可由外部時鐘直接驅(qū)動也可由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生。通過調(diào)整時鐘，截止頻率的調(diào)整范圍可以達0.1Hz~25kHz。使用外部時鐘時，無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時鐘信號發(fā)生器的輸出相連。通過調(diào)整外部時鐘的頻率，可完成濾波器拐角頻率的實時調(diào)整。當使用內(nèi)部時鐘時，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。雙電源供電時的電源電壓范圍為±2.375～±5.5V。在實際電路中一般要在正負電源和GND之間接一旁路電容。當采用單電源供電時，V-端接地，而GND端要通過電阻分壓獲得一個電壓參考，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單電源供電時輸入信號范圍取1V~4V?！?V雙電源供電時，輸入信號幅度范圍取±4V。如果輸入信號超過此范圍，總諧波失真THD和噪聲就大大增加；同樣如果輸入信號幅度過?。╒P-P＜1V），也會造成THD和噪聲的增加。通過調(diào)節(jié)放大電路的參考電壓，可以使上級輸出與濾波器輸入匹配。思考問題：如何進行濾波截止頻率調(diào)諧？進行模擬計算？通過實際電路調(diào)試后和測試標定數(shù)據(jù)對比?。≡O計任務：電路原理圖和PCB版圖。通