毕业设计（论文）智能化扩散硅压力传感变送器的研制

1、本科毕业论文 题 目：智能化扩散硅压力传感 变送器的研制 院 （部）：信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 电本 062 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 2010 年 6 月 12 日 目目 录录 摘 要.iii abstract .iv 1 前 言.1 1.1 压力传感器的国内外发展现状.1 1.2 压阻式压力传感器简介.2 1.2.1 压阻式压力传感器的结构.2 1.2.2 压阻式压力传感器的发展.2 1.2.3 扩散硅压力传感器的应用.3 1.2.4 扩散硅压力传感器的特点.4 1.3 扩散硅压力传感器的发展趋势.5 1.4 本课题所完成的任务.6 2 扩

2、散硅压力传感变送器的原理.7 2.1 压阻式压力传感器的机械原理.7 2.2 压阻式压力传感器的工作原理.8 3 扩散硅压力传感器的温度补偿原理.9 3.1 对扩散硅压力传感器进行温度补偿的意义.9 3.2 零点温度漂移及其补偿.10 3.2.1 零点温度漂移产生的原因.10 3.2.2 零点温度漂移的补偿.10 3.3 灵敏度温度系数及其补偿.14 3.3.1 灵敏度漂移产生的原因.14 3.3.2 灵敏度漂移补偿措施.14 3.4 零位温度系数及其补偿.14 4 扩散硅压力变送器整体方案设计与计算.17 4.1 电源电路.17 4.1.1 传感器供电电路.17 4.1.2 信号处理供电电路

3、.20 4.2 信号处理电路.21 4.2.1 电路工作原理.22 4.2.2 滤波电路设计.24 4.2.3 调零和调满电路设计.25 4.3 电压电流转换.26 4.4 两线制输出.27 4.5 整机测量与误差分析.27 5 mpu 最小系统及数据采集通信系统设计.33 5.1 系统硬件设计.33 5.2 系统软件设计.37 6 总 结.39 谢 辞.41 参考文献.42 附 录.43 摘 要 本文介绍了智能化扩散硅压力传感变送器的研制。智能压力传感变送器的 核心部件-压力传感器是利用单晶硅的压阻效应（集压力敏感转换于一体） ，在 单晶硅膜片上扩散一个惠斯登应变电桥。惠斯登电桥检测出电阻值

4、的变化，经 过差分归一化放大器，输出放大器放大后，再经过电压电流的转换，变换成相 应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了与输入电压 成线性对应关系的 420ma 的标准输出信号。 结合低功耗高性能单片机实现被测参量误差补偿及对传感系统的远程校准 及与上位机的数据通信，并使整个测量传感系统具有体积小，重量轻，测量精 度高，安装方便，长期稳定度好等优点。 关键词：智能化；扩散硅；压力传感器；二线制变送器；补偿 intelligent diffused silicon pressure sensor transmitter abstract this paper introduc

5、es the intelligent diffused silicon pressure sensor transmitter. the core components of intelligent pressure sensor transmitter - the pressure sensor uses the piezoresistive effect of single crystal silicon (in one set of pressure-sensitive and conversion ), the silicon diaphragm strain on the proli

6、feration of a wheatstone bridge. wheatstone bridge detects changes in resistance. after differential normalized amplifier, output amplifier, and then after the conversion of voltage and current,it converts into a corresponding current signal. the current signal changes into the standard 420ma output

7、 signal which has a linear corresponding relationship with the input voltage, through a nonlinear correction loop compensation. the output of the bridge there will be a corresponding change in the measured pressure signal output. combination of low-power and high-performance single chip,it can reali

8、ze the error compensation of measured parameters and the calibration of remote sensing system and data communication with the host computer .and it makes the whole measuring sensor system have a compact light weight，high accuracy，easy installation，and good long-term stability. key words：intelligent；

9、diffused silicon ；pressure sensor；two-wire- transmitter compensation 1 前 言 1.1 压力传感器的国内外发展现状 在工业生产过程中，温度、流量、压力、位移是最常见的工业参数，其中压 力参数的检测显得尤为重要，应用最为面广量大。据日本电气计测器工业协会对 过程传感器(温度、流量、压力、位移、密度等)的生产和销售进行的统计，压力 类传感器占整个过程传感器的三分之一，而且其比例还在继续加大，以此为基 础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。它们在石油、 化工、火电厂、冶金等工业部门得到了广泛的应用。 在1983

10、年，美国honeywell公司推出了全世界第一台智能化现场仪表st3000-100系列， 同时日本的toshiba公司推出h-series智能压力传感器，研制出压阻式多功能传感器，用 微处理器及软件补偿，提高了测量精度，减小了温漂，并且有故障自我诊断和数字通讯遥 控调整功能。1992年，美国honeywell公司又推出了st3000-900系列智能压力传感器，它 是在st3000-l00系列的基础上增加了较完善的自诊断功能，双向通讯功能。在此期间美国 rosemount公司推出了hart协议(highway addressable remote transducer，寻址远程传感 器数据线)，

11、德国bosch公司推出can bus协议。同期motorola公司、foxbird公司、 eggic sensors公司也推出了功能类似的工业级产品，其中部分产品由当时的中国 电子器材总公司引进国内，曾应用在一些重要的部门。这时，军事领域开始装备智能传感 器。1995年以后，智能压力传感器特别是智能差压传感器得到了较快的发展，以美国 honeywell公司为代表的西方国家不但开发了全数字技术和远程组态系统，而且推出了多 种型号的现场控制系统。 90年代后，我国将传感器的研究放在重要位置上并取得了显著成果，1996年，河北工 业大学研制了wps-1型智能压力传感器，它可长期稳定地工作在环境温度变

12、化较为频繁的 场所；1997年，西安交通大学电子信息工程学院综合自动化研究所为三峡工程研制了体积 小于国内电流、电压输出型固态压力传感器，并且有防水、防尘和抗震能力的智能压力传 感器；1999年，哈尔滨工业大学微电子教研室研制了在压力传感器芯片上集成温度敏感元 件制成的压力-温度多功能传感器，并赋予智能化，可实现大温度范围内的全量程压力信 号的温度补偿；2003年湖南长沙索普测控技术有限公司研制的纳米压力传感器获成功，产 品整体性能超过美国超微传感器，实现了传感器在高温、高压等恶劣环境下的长期稳定性 和可靠性，提高了传感器精度等级、温度特性等各方面性能指标。2004年“耐高温压力传 感器”经过

13、4年攻关在西安交大研制成功，该硅隔离耐高温微型压力传感器能在- 30250环境下进行压力测量，可完成1000mpa以下任意量程范围的压力测量，能承受 2000瞬时高温冲击，性能指标达到国际先进水平。 虽然在某些方面己赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国的传 感器技术的研究和生产还比较落后，与国外有较大差距；目前的传感器，无论在数量、质 量和功能上，还远远不适应社会多方面发展的需要。主要是：品种不全,产量过低,工作温 度范围较小,长期稳定性与可靠性较差,集成度不高。随着国内市场需求量越来越大,大量 压力传感器需要进口，特别是高精度产品。 1.2 压阻式压力传感器简介 1.2.1 压阻式

14、压力传感器的结构 压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将 此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传 感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感 受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。 硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为 2060。在圆形硅膜片(n 型)定 域扩散 4 条 p 杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区， 相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻 条,两条

15、受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 1.2.2 压阻式压力传感器的发展 硅的压阻效应是1954年由c.ssmith首先发现，1956年贝尔实验室研制出硅力敏电阻， 此后压阻传感器开始问世。 压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变 化，这种现象称为半导体的压阻效应。利用半导体材料的压阻效应制成的传感器称为压阻 式传感器。目前使用最多的是单晶硅半导体。 压阻压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器之一，压阻式压力传感器是利用半导 体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性 能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使

16、压阻式压力传感器的迟滞极小，重复性极好； 硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得 到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏 度，高精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动过程 控制器等。 早期的压阻式压力传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感器 元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片；20世纪70年代以后，压阻式压力传感器 发展成为在硅片的应变敏感部位扩散出阻值相同的条，在压力作用于其上时，硅膜片产生 应变，从而使电阻条变形输出一个与压力呈正比的线性化电压信号，称为扩散硅式压力传 感器。由于四差动臂惠斯登电桥具有最高

17、的灵敏度,最好的温度补偿性能和最高的输出线 性度，因此，在压力测量中，电阻条通常连接成等臂、等电阻应变率的四差动臂惠斯登电 桥。 由于压力的原因，硅晶体的电阻发生变化，变化的大小与受到的压力大小有关，同时 与材料本身的压阻系数有关。影响压阻系数最主要因素是环境温度和扩散杂质的表面浓度。 压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小。表面杂质浓度低时，压阻系数随温度升高而下降 较快，提高表面杂质浓度，压阻系数随温度升高而下降变慢。 1.2.3 扩散硅压力传感器的应用 由于扩散硅压阻传感器自身特点，其应用领域开辟了广阔的道路。新型智能式传感器 的发展及应用将导致面向过程检测和控制技术产生新的突破。在我国压阻

18、传感技术的研制 和生产已得到迅猛发展, 传感技术早己渗透到工业生产，军事国防，宇宙探测，海洋开发， 环境保护，资源调查，医学诊断，生物工程，文物保护，安全防范，家用电器等极其广泛 的领域。因此，从茫茫太空到浩瀚的海洋，从各种复杂工程系统到日常生活的衣食住行， 几乎每一个领域都离不开各种各样的传感器。可以毫不夸张地说，新世纪的社会，将是充 满传感器的社会。 在航天和航空工业中压力是一个关键参数 ,对静态和动态压力 ,局部压力和整个压 力场的测量都要求 有很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例 如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉 动压力和

19、机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压 力传感器,其工作温度达 500以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高 达 0.05的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集 安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36 毫米，固有频 率高达 300 千赫,非线性和滞后均为全量程的 0.22。在生物医学方面 ,压阻式传感 器也是理想的检测工具。已制成 薄到 10 微米的扩散硅膜,外径仅 0.5 毫米的注射针型 压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。压 阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波

20、的测量,真空测量,监测和控制汽车发动 机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井 压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面 都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的 应用还将迅速发展 。 1.2.4 扩散硅压力传感器的特点 扩散硅传感器与其它类型的传感器相比有许多优点： 1、灵敏度高 扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高 5080 倍，它的满量程信号输出在 80100mv 左右。对接口电路适配性好，应用成本相应较低。由于它输入激励电压低， 输出信号大，且无机械动件损耗，因而分辨率极高。 2、精度

21、高 扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体，无机械动件连接转换环节，所 以不重复性和迟滞误差很小。由于硅材料的刚性好，形变小，因而传感器的线性也非常好,因 此综合表态精度很高。 3、可靠性高 扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级，膜片最大位移量在几微米数量级，且 无机械磨损，无疲劳，无老化。平均无故障时间长，性能稳定，可靠性高。 4、频响高 由于敏感膜片硅材料的本身固有频率高，一般在 50khz。制造过程采用了集成工艺， 膜片的有效面积可以很小，配以刚性结构前置安装特殊设计，使传感器频率响应很高，使 用带宽可达零频至 100khz。 5、抗电击穿性能好 由于采用了特殊材料和装配工艺

22、，扩散硅传感器不但可以做到130正常使用，而且在 强磁场、高电压击穿试验中可抗击1500v/ac电压的冲击。 6、耐腐蚀性好 由于扩散硅材料本身优良的化学防腐性能好，即使传感器受压面不隔离，也能在普通 使用中适应各种介质。硅材料又与硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔离时结构 工艺更易于实现。加之它的低电压、低电流、低功耗、低成本和本质安全防爆等特点，因 此可替代诸多同类型同功能的产品，具有最优良的性能价格比。 扩散硅传感器也存在如下一些不足之处： (1)由于扩散硅传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因而在温度变化大的环 境中使用时，必须进行温度补偿。 (2)制造工艺比较复杂，对研

23、制条件要求高而严格，尤其是烧结、封装工艺，而其成本较 高。 1.3 扩散硅压力传感器的发展趋势 1 小型化 重量轻、体积小、分辨率高，便于安装在很小的地方，也便于微型仪器仪表的配套使用。 2 集成数字化 利用现在的生产工艺和成熟的集成化技术，将感压桥路、温度补偿电路和信号放大电路通 过集成化平面工艺制作在同一芯片上,使得信号源产生一个能传递数字的信号。在测量技 术、计算机技术和微电子技术的基础上发展起来的数字式传感器，在结构上有小型化、标 准化和智能化的特点，而在性能方面则具有响应快、精度高、分辨率高、抗干扰能力强和 工作可靠以及便于程序控制及数据处理等特点。 3 智能化 由于集成化的出现,在

24、集成电路部分制作一些微处理机，使其具有“记忆”、“思维”、 “处理”等能力。智能化产品的发展将成为未来传感器市场的主流。 4 多功能系列化 利用扩散硅技术在芯片上通过掺杂不同杂质,同时制成感温元件和感压元件是可能的。为 满足我国经济建设发展的需要和提出的各种检测控制的需要，需加大系列化和新产品开发 方面的研究。 5 标准化 如iec、iso国际标准，日本的jis标准，法国的din标准、原苏联s3ct及to标准。 1.4 本课题所完成的任务 1、对半导体扩散硅压力传感器进行系统学习和遴选适用的压力敏感元件。 2、设计专用测量转换电路模块，并采用二线制工作模式技术，以提高传感测量系统的远 传能力及

25、抗干扰能力。 3、并在此基础上结合仪器智能化思路，并设计专用 mpu 最小系统以满足传感系统的数据 处理功能。如：对传感测量系统的稳定性、分辨率、精度进行统一量化及非线性数据补偿。 4、通过采用专用数据采集模块与计算机联机通信，对传感检测系统远程校准与数据交换。 2 扩散硅压力传感变送器的原理 测量压力的方法有许多种，最常用的是把压力转换成材料的长度或高度变化来测量， 即弹性元件。压力传感器的弹性元件都是膜。如图2.1所示。 图2.1 压力传感器组成结构示意图 压阻式压力传感器工作过程可以由图2.2表示，第一部分由质量m、弹簧k、阻尼b组成 的机械力学系统作为弹性敏感元件，它将压力转换成中间变

26、量(形变)，然后由第二部分膜 片相应位置采用半导体工艺制成的电阻条，根据压阻效应，最终转换成相应的变化量 输出。电阻条阻值改变量与相应膜片压力成正比。rr 图2.2 压阻式压力传感器组成框图 2.1 压阻式压力传感器的机械原理 压阻式传感器是将输入的机械量应变转换为电阻值变化的变化元件。电阻变换器的 输入量为应变,即材料的长度相对变化量,它是一个无量纲的相对值。通常/l l 为一个微应变。 6 10 电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量。电阻变换器有金属电阻变换器和/r r 半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应: ,且,其中: (/) e 是应力(f/s)； 是压阻系数, =

27、(4080) ；是杨氏弹性模量, 112 10/mn e ,所以电阻的相对变化为: 。要测量其他物理量,如压力、 112 1.67 10/en m(/)r re 力、加速度等,就需要先将应变片贴在相应的弹性元件上, 过程压力通过隔离膜片，密封 硅油传输到扩散硅膜片上，同时参考端的压力作用于膜片的另一侧。这样在膜片的两边加 上的差压产生一个应力场，它使膜片的一部分压缩，另一部分拉伸，两个应变电阻片位于 压缩区，另两个应变电阻片位于拉伸区。在电气性能上，他们连接成一个全动态惠斯登电 桥，以增大输出信号。 2.2 压阻式压力传感器的工作原理 当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上其中的硅

28、油受压，硅油将膜 片上的压力传递给半导体芯片。受压后其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。不锈 钢波纹膜片壳体感受压力并保护芯片，因而电阻式压力传感器能在有腐蚀性的介质中感应 压力信号。电阻式压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯片没有外加压 力作用，电桥处于平衡状态（称为零位） ，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失 去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样 传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。现在大部分压力传感器用制造集成电路 的方法，形成四个电阻值相等的电阻条，并将它们连接刻制成惠斯登电桥。惠斯登电桥采 用恒流供电，这样电桥

29、的输出不受温度的影响，惠斯登电桥检测出电阻值的变化，经过差 分归一化放大器，输出放大器放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号， 该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了与输入电压成线性对应关系的 420ma 的标准输出信号。 为减小温度变化对芯片电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措 施，使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。 图 2.3 工作原理图 3 扩散硅压力传感器的温度补偿原理 3.1 对扩散硅压力传感器进行温度补偿的意义 在对压阻式压力传感器的研究方向中，包括开发耐高温，及用于微机械加工的压力传 感器，还有一个重要的研究方向是温度

30、漂移的补偿，在实际应用当中，压阻式压力传感器 的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影响，导致零点漂移和灵敏度 漂移，它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零位漂移是因为扩散电阻阻值随温度改 变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻 小，温度系数亦小，反之，薄层电阻增加，温度系数增大。由于工艺上的原因，难于使四 个桥臂电阻温度系数完全相同，因此，不可避免的要产生零位漂移。所以，适当提高表面 杂质浓度，可以减小温度系数，进而减小零位漂移。但是，过高的杂质浓度会降低传感器 的灵敏度。压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当

31、温度 升高时，压阻系数减小，反之则增大。所以，当温度升高时，传感器灵敏度降低。如果提 高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度变化要小一些，但传感器的灵敏度同样会降 低。因此，对压阻式压力传感器进行温度补偿在实际应用当中显得相当重要。 在生产应用中，直接或间接用作计量器具的传感器所面临的问题是准确度和可靠性问 题。传感器有时会因精度、长期稳定性以及热漂移问题而受到应用限制。而对于扩散硅传 感器来说，热漂移问题是决定其特性好坏的一大关键指标。因为在工业现场中，生产环境 温度变化范围宽，而半导体力敏电阻压阻系数的温度系数也很大，在环境变化时会产生工 作特性漂移与灵敏度不稳定的情况，使检测系统发生变

32、化而造成测量值随环境温度变化， 出现测量误差，影响了压力传感器的特性。 扩散硅压力传感器温度漂移可分为以下三种： (1)零点热漂移：由于组成测量电桥的各个桥臂电阻的温度系数不一致，致使不加压时电 桥输出(零点输出)失衡，并且这一状态随温度变化而发生变化。造成零点输出失衡及零点 热漂移的主要原因集中在工艺上，如加工尺寸，掺杂浓度及均匀性，掺杂层厚度等。 (2)灵敏度热漂移：由于灵敏度与压阻系数成比例关系，而压阻系数为温度的函数，因此 在加压情况下，电桥的满量程输出也要随温度变化而变化。造成灵敏度热漂移的其他原因 还有掺杂浓度过大或过小，电阻条与底座之间热膨胀系数不一致等。 （3）零位温度漂移：零

33、位随温度的变化而变化。 3.2 零点温度漂移及其补偿 3.2.1 零点温度漂移产生的原因 理想的情况下，组成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值应该是相等的，因而在电桥处 于平衡状态时，电桥的输出电压应该为零。但在制作压阻式传感器的过程中，由于被连接 成惠斯登电桥的四个扩散电阻的阻值不可能制作得完全相等，所以当压力为零时，电桥的 输出不为零，这种零点输出漂移将随温度的变化而发生漂移，即产生零点温度漂移。 3.2.2 零点温度漂移的补偿 零点温度漂移的补偿就是在组成惠斯登电桥的四个电阻中，在相应的桥臂上串、并联 上一定阻值大小的电阻，用以平衡因四个扩散电阻初始阻值不匹配造成的零点漂移以及它 随温度变化

34、而变化的温度漂移。由于这种补偿方法是在电桥上完成的，我们将这类方法称 之为“桥内补偿法” 。现以如图 3.1 所示的恒流源供电电路为例进行分析。 图 3.1 恒流源温度补偿原理图 根据电桥平衡理论可知，图 3.1 所示电桥在未接补偿电阻时应该满足: (3.2.1a) 1324 0 1234 r rr r vid rrrr 其中为供电电流源的大小。id 而由于四个桥臂电阻的参数不匹配，使得在零点时式(3.2.1a)式:。且随着 1324 0r rr r 温度的变化而变化。因而可以在桥臂上串、并联上适当的电阻来消除这种不平衡，使 ，并使其随温度的变化趋于0，这就是零点温度漂移补偿的目的。当给 13

35、24 0r rr r 6 电桥串并联上如图3.1所示的电阻进行补偿时，要达到补偿的效果使电桥的零点温度漂移 为零，则要满足下列式子的要求: （3.2.1b） 1324 1324 13241324 ( )/( )( )( )(/)() 0 ( )/( )( )( )/ ps ps psps r trr trr t r trrrrr r idid r trr tr r tr trrrrrr 其中 四个桥臂电阻在温度时的阻值（i=1,2,3,4）；( ) i r t 1 t 四个桥臂电阻在温度时的阻值（）； i r 0 t 10 tt 恒流源；id 、串并联电阻； s r p r 同时，补偿后的电桥

36、的零点漂移也应该为零，则有： （3.2.1c） 1324 1324 (/)() 0 / ps ps rrrrr r id rrrrrr 为简化计算，令 4 1 1/4 i i rr 4 1 ( )1/4( ) i i r tr t 式中 温度为时桥臂电阻的平均值；r 0 t 温度为时桥臂电阻的平均值；( )r t 1 t 在式（3.2.1c）中， 11 1 1 1 / 1 p p p p r rr rr r rr r 因而对其进行泰勒展开得： 23 111 11 23 /(1) p ppp rrr rrr rrr 一般认为， 的传感器才有补偿价值，故将以上的泰勒展开式略去高50 p rr0.0

37、2 s rr 次项得： (3.2.1d) 2 1 11 / p p r rrr r 同理可得： (3.2.1e) 2 1 11 ( ) ( )/( ) p p r t r trr t r 又 (3.2.1f) 1234 ( )( )( )( )4 ( )r tr tr tr tr t (3.2.1g) 1234 4rrrrr 令 1324 1 1234 ( )( )( )( ) ( )( )( )( ) r t r tr t r t v r tr tr tr t 为补偿前传感器在温度时的零点输出； 1 t 1324 0 1234 r rr r v rrrr 为补偿前传感器在温度时的零点输出。

38、0 t ,即为、之间的零点漂移； 010 vvv 1 t 0 t 由于，,将（3.2.1d3.2.1g）式分别对应代入（3.2.1b）式中，并将其50 p rr0.02 s rr 中的用近似，用近似，化简可得： i rr( ) i r t( )r t （3.2.1h） 22 10 ( ) ()0 44 ss pp r tr rr rr vvidid 以同样的方法对（3.2.1c）式进行化简的： （3.2.1i） 2 0 0 4 s p r r r vid 联立（3.2.1h）、（3.2.1i）两式组成方程，解得、的值如下： p r s r （3.2.1j） 2 10 0 22 ()4 ( )

39、s vv r rv idr tr （3.2.1k） 22 10 ( ) 4() p id r tr r vv 而根据惠斯登电桥可知，整个电桥在温度为、时的等效电阻、可分别近 1 t 0 t 1br r 0br r 似为：, ；因而，在温度分别为、时，电桥在补偿前恒流源供电 1 ( ) br rr t 0br rr 1 t 0 t 时的电桥输入端电压（简称桥压） 、分别可用以下式子表示: 1br v 0br v ； 11brbr vidr 00brbr vidr 则（3.2.1j）、（3.2.1k）两式可分别化为： (3.2.1l) 22 1000 00 2222 10 ()44 ( ) br

40、s brbr vv rv v rvv idr trid vv (3.2.1m) 22 22 10 100 ( ) 4()4 brbr p id r tr vv r vvid v 从公式可以看出，在恒流源供电下，对于待补偿的传感器，只需测出传感器补偿前在 温度、时桥压、和零点输出电压、，即可根据公式（3.2.1l）和 1 t 0 t 1br v 0br v 1 v 0 v （3.2.1m）计算出补偿电阻、的大小。 s r p r 串并联电阻补偿法中，补偿电阻的接法很多，虽然以上的推理是根据图11所示的电阻 连接方式而来，但对于、其他连接方式，经过上述同样的简化和推理方法，可以推 s r p r

41、理出同样的公式，只是符号不同而已。所以不论、如何连接，我们都可以根据以上 s r p r 公式计算出、大小和符号，然后根据其符号(以上述推理确定的符号为正号)确定其 s r p r 应连接的位置: （1） ，则并于或上；0 p r p r 1 r 3 r （2） ，则并于或上；0 p r p r 2 r 4 r （3） ，则串于或上；0 s r s r 1 r 3 r （4） ，则串于或上。 0 s r s r 2 r 4 r 经过以上补偿可以将零点误差由几十毫伏降低到零点几毫伏。 3.3 灵敏度温度系数及其补偿 3.3.1 灵敏度漂移产生的原因 压阻式传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变

42、化引起的。温度升高时，压阻系 数变小；温度降低时，压阻系数变大，所以当温度升高时传感器的灵敏度要降低，温度降 低时要升高，也就是说传感器的灵敏度温度系数是负的。影响压阻系数大小的因素主要是 扩散杂质的表面浓度和晶向。 3.3.2 灵敏度漂移补偿措施 扩散硅压力传感器满量程输出g与压力满量程时应变电阻的最大变化成正比，即 max r 与扩散硅p型电阻的压阻系数成正比，而压阻系数随温度的上升而减小。则灵敏度必然随 温度的上升而下降， 引起灵敏度温度漂移。灵敏度温度系数可用下式表示： (3.3.2a) 21 121 () tt t gg gtt 式中：为温度下满量程输出； 2t g 2 t 为温度下

43、满量程输出； 1t g 1 t 表示温度变化1 时满量程输出的相对变化量。 灵敏度温度系数主要是由压阻系数随温度变化而决定的。因此，通过改变电桥的有效 桥压可以实现灵敏度温度系数的补偿。恒流源供电时，当温度升高，欲使不变，可升高 桥路供电电压。因为桥压升高，电桥的输出电压增大，若其增大的数值与灵敏度下降而引 起的输出电压减小的数值相等时，即达到了灵敏度温 度补偿的目的。这可以通过在电桥的输入端接入热敏电阻补偿网络来实现。传感器满 ts r 量程净输出为： （3.3.2b） in ts u rr r g 0 0 其中：为电桥输入等效电阻；为热敏电阻补偿网络， 由热敏电阻和金属膜电阻组 0 r t

44、s r 成。 当温度升高时，传感器满量程净输出为：t (3.3.2c) )1 ()1 ( )1 ( 0 0 trtr tr g tsts 式中：为扩散电阻的温度系数，一般为；为热敏电阻网络温度系数。c /101 3 ts 上式对温度求导，并另，由(3.3.2a)和(3.3.2b)式得出：0t （3.3.2d）（ ts ts ts rr r 0 热敏电阻温度系数具有分散性，为了选择合适的网络电阻，需要经过多次试验和修正。 补偿后传感器的满量程输出有所降低是由于串联后被分压的缘故。经上述补偿后灵敏 ts r 度温度系数可以降到 以下。c /102 4 3.4 零位温度系数及其补偿 零位随着温度的不

45、同而变化，温度变化后，零位电压也随之增加或减少一定的数t 值。这一变化可用零位温度系数 反映出来。即温度每变化1时相对于满量程输出g的零r 位电压变化量。 (3.4a) 21 21 ()( ) () popo utut r g tt () po ut g t (3.4a)式中：,分别为、温度下的零位输出。 2 () po ut 1 ( ) po ut 2 t 1 t 传感器的零位温度系数主要由力敏电阻全桥四个桥臂电阻的不对称和各种封装应力引 起。但无论何种影响，最后都通过桥臂力敏电阻的阻值变化反映出来。可用热敏电阻串并 联金属膜电阻网络进行补偿。 就半导体材料而言， 当温度改变时，其扩散电阻的

46、变化规律可表示为： (3.4b)(1) t rrt (3.4b)式中；为扩散电阻阻值；为扩散电阻的温度系数。r 当四个桥臂电阻不平衡时， 1 0 ( ) 4 in po u utr r 温度升高，t 1 2 0 ()(1) 4 in po u utrt r 式中为扩散电阻等效温度系数。于是 1 (3.4c) 1 21 0 ()( ) 4 in popopo u uututrt r 将补偿电阻接入适当的桥臂使它产生一个补偿电压去抵消，从而达到补偿的 1 po u po u 目的。 令 1 0 4 tz in popotz u uurt r 则有： (3.4d) 0 4 po tz intz ru

47、 r ut 由(3.4a)、(3.4d)两式得出零位温度系数补偿电阻。 2 t r (3.4e) 0 4 tz intz r gr r u (3.4e)式中；r为传感器零位温度系数；g为初始温度下满量程输出；为补偿电阻温度 tz 系数。 补偿电阻的选择：硼扩散电阻的温度系数是正值，且与薄层电阻有关，一般为(12) ， 热敏电阻的温度系数是负值，而且温度系数较大，一般为-(2070) 3 10/ c 。可见它是一种很好的温度补偿元件。但它随温度变化是非线性的，为了达到 3 10/ c 良好的补偿效果，可以把热敏电阻与金属膜电阻组合成电阻网络，这样，该网络随温度可 作接近线性的变化。 当r0时，

48、网络加在或桥臂上；当r0时，网络加在或桥臂上。由于 tz r 1 r 3 r tz r 2 r 4 r 的接人，g稍有变化。而的变化可采用零点补偿的方法在相应的桥臂上串入一个金 tz r po u 属膜电阻即可解决。经上述补偿后，零位温度系数可以降到以下。c /101 4 总结：扩散硅压力传感器经过以上提出的方法补偿后，零点误差，零位温1 po umv 度系数 ，灵敏度温度系数，与没有补偿时相比小一个数量 4 1 10/rc 4 2 10/ c 级。采用这种方法补偿可以收到满意的效果。 4 扩散硅压力变送器整体方案设计与计算 4.1 电源电路 4.1.1 传感器供电电路 压阻式传感器可以用恒压

49、源供电,也可用恒流源供电,但恒压源供电与恒流源供电相比 存在环境温度影响不能消除的问题.压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥 形式如图4.1所示,其中: 为被测量的压力所转换成的电压信号,假设四个扩散电阻的起始v 阻值都相等且为r,当有应力时,两个电阻阻值增加,增量为,另两个电阻阻值减小,减小r 量为,由于温度影响,使每个电阻值都有的变化量。r t r 图 4.1 压力传感器电桥电路 恒压源供电时（1） 恒流源供电时（2） 图4.2 惠斯登电桥恒压源与恒流源供电的比较 当压力传感器测量电路使用恒压源e供电时如图4.2（1）所示,其输出信号为:恒压时 12 vuu ()() 2222

50、tt tt ee rrrrrr rrrr 2 22 t r e rr （4.1.1a t r e rr ） 是由于温度增加而产生的电阻变化。四个压敏电阻的阻值都相等，电桥输出一方面与 t r 成正比，另一方面又与供电电压成正比，即电桥的输出电压除了与被测量成正 t r rr e 比之外，同时与电桥的输入电压的大小与精度有关。当温度变化时，输出电压v还和温e 度有关，即与成非线性关系，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。v t r 当压力传感器测量电路使用恒流源i供电时,如图4.2（2） ，其输出信号为:恒流时 12 vuu ()() 22 tt ii rrrrrr （4.1.1b）2 2

51、i ri r 可以看出输出电压v与温度无关,这就消除了温度对传感器输出信号的影响。所以采用 恒流源。恒流源的特性直接影响系统精度，故应选取精度高、稳定性好的恒流器件。这里 选用lm334，电路如图4.3所示,输出1.0ma的恒流电流。 图4.3 恒流源电路 （4.1.1a） 12setbias iiii 其中， (4.1.1b) 1 1 r v i r 2 2 rd vv i r lm334的温度系数为227v/（包括偏置电流的） 。二极管的温度系数约为2.5mv/。 (4.1.1c) 12set iii 12set dididi dtdtdt 12 227/227/2.5/uvcuvcmvc

52、 rr (温度系数=0) (4.1.1d)0 (4.1.4e) 2 1 2.5/227/ 10.0 227/ rmvcuvc ruvc 有了和的比值，计算和的数值则和设置电流的给定值有关。在t= 25 1 r 2 r 1 r 2 r set i 时设定电流计算公式如下所示，假定整个二极管（vd）的正向压降是0.6v，两端的电 1 r 压（64mv+ 偏置电流的5.9） 。66.7 r vmv 12setbias iiii 12 rrd vvv rr (4.1.1f) 11 66.766.70.6 10.0 mvmvv rr 由上式可得： （4.1.1g 1 0.134 set v i r ）

53、恒流电流为1.0ma，则，所以。因为， 1 0.134 1.0 set v ima r 1 134r 21 10rr 所以。取标称值，。 2 1340r 1 150r 2 1470r 同理，对于为放大器等器件提供激励的电流源也如图4.3所示.恒流源电流约为 3.0ma，即,计算得,取标称值，所以。 3 134 . 0 0 . 3 r v maiset 45 3 r 3 47r 4 470r 此时。2.85ima 总之，恒流源工作模式下的电桥的输出与电源电流成正比，即输出与恒流源的供给的 电流大小与精度有关。恒流源将24vdc直流供电转换成传感器电桥所需的恒定电流，当传 感器的桥臂电阻发生变化时

54、，供电电源仍保持恒定的电流供电，而电桥由于桥臂电阻值的 变化，引起惠斯登电桥有变化的电压输出，变化的电压一般是毫伏级的变化。通常情况下， 恒流源模块是在室内的，而传感器则是室外的。送往传感器的电流只是当负载在一定的范 围内变化时保持恒定，当外部短路或开路时，电源模块会自动得到保护，而减小出现火花 的可能性。同时，传感器输出的毫伏级信号也不至于线路短路而产生火花。这比通常的高 电压供电要相对安全许多，配上安全栅则可以很好的应用于一些需要安全的场合。但只要 适当选择应变片的杂质浓度，电桥的输出受温度影响减小，这是恒流源的优点。 4.1.2 信号处理供电电路 图 4.4 所示为提高单元负载能力的单元

55、电路。d3d4 为两个稳压二极管，op07 芯片 是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于 op07 具有非常低的输入失调 电压（op07 最大为 25v） ，所以 op07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。op07 同 时具有输入偏置电流低（op07 为1.8na）和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增 益的特性使得 op07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。为 2 i 恒流源输出电流，约为 2.85ma,vcc=5v,两个稳压二极管平分电压，使得两端的电压 14 r 为 2.5v，+2.5v 信号地与地之间的电压也为 2.5v，即三极管 q1 两端

56、的电压为 2.5v。由于 从+2.5v 信号地输出的电压是恒定的，而也是固定不变的，所以此也为恒功率放大器。 2 i +2.5v 信号地可以为信号处理电路提供恒定电压。 图4.4 提高单元负载能力单元电路 4.2 信号处理电路 仪器仪表信号的放大处理,实际上就是对来源于传感器的微弱信号的放大处理,要求放 大器增益高,性能稳定,尤其是零点漂移、温度漂移、增益、稳定性等指标要求较高,也就 是要能对信号实现精密放大处理,满足计量要求。在这个领域里,首选就是采用专用精密集 成运算放大器,然而精密集成运算放大器价格较高,芯片供电多采用双电源对称供电,对供 电电路要求较高,应用上不太方便。而lm124 系

57、列集成运放是4 组独立的高增益的、内部 频率补偿、输入偏置电流是温度补偿的、单位增益带宽是温度补偿的运算放大器,它既可 以单电源使用,也可以双电源使用,电源电压可以从+ 5 v 一直用到15 v ,而且驱动功耗 低,每一组运放差模增益可达到100 db。运放要能达到将几十毫伏的微弱信号放大到有几 伏的输出的能力,即要求放大器有几百倍的放大能力。同时要求放大器线性要好,增益稳定,温 度影响小,工作稳定。以lm124 为主要器件，通过外围电路的合理设计, 完全能满足高放 大倍数、高稳定性的仪器仪表信号的放大处理要求。 lm124的管脚接线图如下所示。 图4.5 lm124管脚接线图 4.2.1 电

58、路工作原理 由于压阻式压力传感器的输出电阻很大,这就要求放大器有更大的输入电阻。从而不 吸收传感器的输出电流。放大电路如图4.6所示,这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共 模抑制比和开环增益；失调电流、电压、噪声和漂移都很小，a1,a2组成同相输入差动电 路,具有输入阻抗大,抑制共膜信号的优点,第二级放大电路具有进一步提高发大倍数,抑制 共膜信号干扰的优点,调节可变电阻rw的值就可以调节放大倍数。 在理想情况下，即假设 集成运放a1,a2,a3 都具有理想运放的特性。 图 4.6 放大电路 在第一级电路中，、分别加到a1和a2的同相端，和两个组成的反馈网络， 1 u 2 u w rr 引入了深

59、度的电压串联负反馈，两运放a1、a2的两输入端形成虚短和虚断，因而有 12ab uuuu （4.2.1a） 1212 2 ooab www uuuuuu rrrr （4.2.1b） 故得 1212 2 () w oo w rr uuuu r （4.2.1c） 根据式 2 021 1 () oo r uuu r （4.2.1d） 可得，第二级减法器放大电路 2 21 1 2 () w o w rrr uuu rr （4.2.1e） 由此可见该电路对差模信号的增益为,对共模信号的增益为零，共模抑制 w w r rr r r2 1 2 比无穷大。 该放大器第一级是具有深度电压串联负反馈的电路，所以应

60、具有输入阻抗高、输出阻 抗低、输入输出失调小以及温度稳定性好等特点。若 a1、a2 选用相同特性的运放，则它 们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再通过 a3 组成的差分式电路，可以互相抵消， 故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压，同时该电路有较高的差模电压增益。 为保证在使用很长传输线时仍达到良好的性能，所有相同阻值电阻之间应匹配良好。并且 应严格挑选几个外接电阻、。r 1 r 2 r w r a1、a2 可外接电阻，可在 010k 之间任取，这里取为。这里未画出。 0 r 2 0 r 由于惠斯登电桥的满量程输出为 1020mv，希望放大后输出信号在 12v 之问，需要放 大器的增益