压力传感器实验.

1、仪器与电子学院School of Instrument and Electronics压力传感器压力传感器实践模块实践模块唐军郑永秋潘梓文李鑫仪器与电子学院School of Instrument and Electronics 实验要求：了解压力传感器及调理电路工作原理。掌握Protel99SE软件的操作。画出电路原理图。画出PCB版并进行手动布线。通过更改器件参数达到实验要求。 仪器与电子学院School of Instrument and Electronics应用背景随着现代科学技术

2、的飞速发展，压力传感器在水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、医疗等多个领域中有着非常广阔的应用空间。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics仪器与电子学院School of Instrument and Electronics原理背景压力传感器是一种把非电量转变成电信号的器件，主要有压电式与压阻式两种，以压阻式为例，说明它的工作原理：压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，

3、扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics压力传感器应用示意图仪器与电子学院School of Instrument and Electronics仪器与电子学院School of Instrument and Electronics压阻式压力传感器工艺结构仪器与电子学院School of Instrument and Electronics型号选择本次实验选用压阻式压力传感器作为测量元件，它的测量参数为：1.量程 0-10bar；2.使用环境 可在恶劣环境下使用；3.测量介质 气体；4.介质

4、温度范围 -50-600；5.输出信号 0-5V；6.电器接头 常用的有线缆；7.接口形式 G1/4内螺纹；8.工作电压 24Vdc。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics另外，此传感器具有以下优点：频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；精度高，可达0.10.01；灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。仪器与电子学院School of Instrument and Electro

5、nics几种压力传感器实物仪器与电子学院School of Instrument and Electronics仪器与电子学院School of Instrument and Electronics传感器调理电路示意图驱动芯片驱动芯片ir2184ir2184开关管开关管电机模块电机模块开开关关信信号号输出信号输出信号电源模块电源模块电源模块电源模块仪器与电子学院School of Instrument and Electronics电路原理图：仪器与电子学院School of Instrument and Electronics1.电源模块 每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整

6、流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把 220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。 在我们的传感器电路中，芯片需要+5V供电，而我们设计电源为10V，因此，需要一个电源模块把外部电源转换成+5V稳定直流电

7、。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics1.1电源模块芯片选用及设计 LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。 LM1117提供电流限制和热保护。是电池供电和便携式计算机的最佳选择。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。LM1117系列具有LLP

8、、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。 因此，我们选用1117-5组成电源模块为电路提供+5V直流稳压供电。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics首先，我们在供电端接入一个发光二极管，用于判断通电时电路是否有电流通过，二极管会对电源分压，实际进入电源模块的电压为供电电压减去二极管的导通压降。由于1117-5芯片已经比较成熟，我们只需要在输入输出端接入旁路电容进行去耦来改善瞬态响应和稳定性即可输出稳定的+5V电压。仪器与电子学院School of Ins

9、trument and Electronics思考问题： 为什么不用稳压管？仪器与电子学院School of Instrument and Electronics2.压力传感器MPM180 MPM180型TO-8封装压阻式压力敏感元件，采用先进的离子注入工艺和微机械加工工艺，形成了惠斯登电桥和精密的力学结构的硅敏感元件，以TO-8的形式封装。被测压力通过压力传接口作用在硅敏感原件上，实现了所加压力与输出电压信号的线性转换。 压力传感器由4个采用惠斯顿电桥结构连接的压敏电阻组成。当这些传感器上没有压力时，桥中的所有电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增加，而另两个电阻的阻

10、值将减小，而且增加和减小的阻值彼此相等。阻值改变时，输出电压将随之改变。MPM180等效惠斯登电桥仪器与电子学院School of Instrument and Electronics2.1惠斯通电桥的原理下图为惠斯通电桥的原理图，待测电阻Rx和R1 、R2、R0四个电阻构成电桥的四个“臂”，检流计G连通的CD称为“桥”。当AB端加上直流电源时，桥上的检流计用来检测其间有无电流及比较“桥”两端（即CD端）的电位大小。调节R1 、R2和R0，可使CD两点的电位相等，检流计G指针指零（即Ig=0），此时，电桥达到平衡。电桥平衡时，UAC=UAD，UBC=UBD ，可以表示为I1R1=I2R2 ，I

11、XRX=I0R0。因为G中无电流，所以，I1=IX,，I2=I0,。上列两式相除，得:即为电桥平衡条件。显然，惠斯通电桥测电阻的原理，就是采用电压比较法。由于电桥平衡须由检流计示零表示，故电桥测量方法又称为零示法。当电桥平衡时，已知三个桥臂电阻，就可以求得另一桥臂得待测电阻值。通常称R0为比较臂，R1/R2（即C）为比率（或倍率），Rx为电桥未知臂。在测量时，要先知道Rx得估测值，根据Rx的大小，选择合适的比率系数，把R0调在预先估计的数值上，再细调R0使电桥平衡。021RRRRX仪器与电子学院School of Instrument and Electronics 传感器存在偏移和增益误差。

12、偏移误差是指没有压力施加于传感器时存在输出；增益误差指传感器输出相对于施加于传感器外力的敏感程度。 由于压力传感器内部等效为惠斯登电桥，即内部电桥不平衡时，我们在传感器外部连接4个电阻到4个桥上，通过调节R1到R4的阻值改变压力传感器内部电桥平衡状态，达到校准的目的。 给定传感器的偏移和满刻度误差随时间变化不敏感，因此一旦传感器得到校准，在该传感器生命期内无需改变校准系数就能满足精度要求。但是，在每次上电时通常需要再次校准系统。压力传感器模块仪器与电子学院School of Instrument and Electronics思考问题：如何设计温度补偿电路？原理是什么？电路如何实现需要电路调试

13、和测试标定需要测试温度系数！仪器与电子学院School of Instrument and Electronics3.放大电路模块 典型传感器一般规定激励电压为5V，具有20mV/V的标称满刻度输出。这意味着在激励电压为5V时，标称满刻度输出为：20 mV/V 5 V = 100 mV.输出电压太小会导致不容易检测及受外界干扰较大，因此我们需要放大电路放大输出信号。 运算放大器一般用反馈电阻调节放大倍数，以达到实际应用需要的目的。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics ad623 是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+ 3v+ 12v）下提

14、供满电源幅度输出,ad623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程,以得到良好的用户灵活性。 在无外接电阻的条件下,ad623 被设置为单位增益，外接电阻之后,ad623 可编程设置增益,其增益最高可达1000 倍。 输入信号加到作为电压缓冲器的pnp 晶体管上,并且提供一个共模信号到输入放大器,每个放大器接入一个精确的50k 的反馈电阻,以保证增益可编程。差分输出为:ad623内部结构示意图CGVRKV10010仪器与电子学院School of Instrument and Electronics 然后差分电压通过输出放大器转变为单端电压。6 脚的输出电压以5 脚的电位为基准进行测量。基准端

15、(5脚) 的阻抗是100k ,在需要电压/ 电流转换的应用中仅仅需要在5 脚与6 脚之间连接一只小电阻。+vs 和- vs 接双极性电源(vs = 2. 5v6v)或单电源( + vs = 3. 0v12v , - vs = 0) 。靠近电源引 脚处加电容去耦。去耦电容最好选用0. 1f 的瓷片电容和10f 的钽电解电容。ad623 的增益g 由rg 进行电阻编程,或更准确的说,由1 脚和8 脚之间的阻抗来决定。g 可以由以下公式计算:ad623内部结构示意图)1/(100GKRG仪器与电子学院School of Instrument and Electronicsad623的REF端为参考电

16、压端，为了匹配后级电路，可以在REF端加入电压，使整体电压得到提高，增加系统的稳定性。REF参考电压可以使输出电压偏移，如输入信号为10mV，放大倍数100倍时，输出电压为1V，在REF端加入2V参考电压，输出电压改变为2V1V。在电路中，通过调节REF与电源的分压电阻来调整输入的参考电压大小。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics思考问题：如何进行放大倍数调谐？完成后灵敏度、量程如何？通过实际电路调试后和测试标定数据对比！仪器与电子学院School of Instrument and Electronics4.滤波电路模块 滤波器是一种用来消除

17、干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。 在压力传感器中，由于震动、声音、温度等环境因素都可能在系统中引入噪声并通过放大器进行放大，将会严重干扰电路的正常输出，因此，我们需要引入滤波器模块，用来剔除一定频率范围外的噪声。一般需要测试的压力变化频率比较小，而噪声的频率可能很高，所以我们选用低通滤波器进行滤波。以下为几种低通滤波器的频率响应图：仪器与电子学院School of Instrument and Electronics4.1滤波电路模块芯片选用及设计 上图中滤波

18、器的频率响应图分别为巴特沃斯滤波器（左上）和同阶第一类切比雪夫滤波器（右上）、第二类切比雪夫滤波器（左下）、椭圆函数滤波器（右下）。 其中巴特沃斯滤波器的通频带的频率响应曲线最平滑，我们选用的MAX291为8阶巴特沃思低通滤波器，在通频带内，它的增益最稳定，波动小，主要用于仪表测量等要求整个通频带内增益恒定的场合。 MAX291滤波器的时钟信号既可由外部时钟直接驱动也可由内部振荡器产生。通过调整时钟，截止频率的调整范围可以达0.1Hz25kHz。使用外部时钟时，无论是采用单电源供电还是双电源供电，CLK可直接和采用+5V供电的CMOS时钟信号发生器的输出相连。通过调整外部时钟的频率，可完成滤波

19、器拐角频率的实时调整。当使用内部时钟时，振荡器的频率由接在CLK端上的电容VCOSC决定：)(3/105)(pfCkHzfOSCCOSC仪器与电子学院School of Instrument and Electronics MAX291波器既可用单电源工作也可用双电源工作。双电源供电时的电源电压范围为2.3755.5V。 在实际电路中一般要在正负电源和GND之间接一旁路电容。当采用单电源供电时，V-端接地，而GND端要通过电阻分压获得一个电压参考，该电压参考的电压值为1/2的电源电压。 MAX291允许的输入信号的最大范围为V-0.3VV+0.3V。一般情况下在+5V单电源供电时输入信号范围取1V4V。5V双电源供电时，输入信号幅度范围取4V。如果输入信号超过此范围，总谐波失真THD和噪声就大大增加；同样如果输入信号幅度过小（VP-P1V），也会造成THD和噪声的增加。通过调节放大电路的参考电压，可以使上级输出与滤波器输入匹配。仪器与电子学院School of Instrument and Electronics思考问题：如何进行滤波截止频率调谐？进行模拟计算？通过实际电路调试后和测试标定数据对比！仪器与电子学院School of Instrument and