传感器原理与运用课件

1、压阻传感器在验潮仪中的应用制作者：孙鹏班级：232122 学号：20121003920摘要: 压阻传感器由于其灵敏度高、动态响应 快、测量精度 高、稳定性好、工作温度范围 宽、易于小型化、使用方便，而获得广泛应用，因此目前的压力验潮仪产品中大都采用这种传感器。本文阐述了压阻传感器的工作原理，及在验潮仪应用中该传感器电源的选择对精度的影响本文介绍了几种典型的测量放大电路，并对温度补偿实现方进行了探讨。关键词 ： 压阻传感器 验潮仪简介：目前，潮汐测量广泛使用的验潮仪主要有浮子式、声学式和压力式三种类型，它们各有自己的特点。但前两种形式的验潮仪对测量环境的要求较高，浮子式验渐仪必须安放在验潮井中，

2、须打井建站，辅助费用较高且不机动灵活，它适用于岸边的长期定点验潮：而声学式验潮仪必须海域的验潮且无论是短期还是长期验潮，它都能胜任。咀海岸作为依托，测量水深较浅。这两种验潮仪对于离岸较远的验潮点均不便使用。而压力式验潮仪所适用的范围广阔，它不需要打井建站，不但适用于沿岸码头，而且对于远离岸边及较深压力式验潮仪在压力传感器技术有了长足发展之后才得以发展。目前最具代表性的压力传感器是固态压阻传感器，它是发展非常迅速的一种传感器，它于七十年代初期开始发展，但只是近几年，随着双面光刻技术、各项异性腐蚀技术、热匹配技术、硅扩散技术和集成电路技术的飞速发展，使压阻传感器才有了次飞跃，使它在众多的压力传感器

3、中豆得尤为出众，太有替代其他类型压力传感器之势。国内外现已涌现出许多形式的半导体型压阻传感器。目前，压力式验潮仪的压力传感器大都采用压阻传感器，这种传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的，由于这种传感器具有的显著优点，因而获得日益广泛的应用。本文对压阻传感器在验潮仪中的几个有代表性、且在不断发展的新技术作介绍和讨论。对于电阻应变丝其电阻丝伸长或缩短会改变电阻值，当电阻丝被拉伸时，L伸长dL，A则缩 小dAp在受力作用下也会产生电阻率的变化dp。因而电阻值的变化可用下式表示 (3) 由（2）/（3） 得， （4） 化简得： （5）其中： 为泊松比 表示应变丝灵敏度系数。 表示轴向相对变形，

4、 故： 整理后得 （8） 由式(8)可看出电桥输出一方面与dRR成正比，另一方面又与电桥供电电压成正比，即电桥的输出电压除了与被测量成正比外，还与电桥输入电压 的大小和精度有关。同时电桥输出电压如还与温度有关， 图2当温度变化时，电桥输出电压 与 成非线性关系，采用恒压源供电时，不能消除温度的影响。(=)恒流源供电恒流源供电时，由图2可看出，当硅芯片发生变形时，假设电桥两个支路的电阻相等，即每条支路上的一个电阻阻值增加 R,而另一个电阻阻值减少 R见那么通过每条支路的电流也相等，且都等于I。2。因而可得： 即： （9） 式中l+2u为一常数，一般在16左右 是由电导率引起的，也是常数，故是常数

5、，得 （6） （7）(7)式表明电阻的变化与其轴向变形成正比，这也就是压阻应变的原理. 二、供电电源对精度的影响 图1压阻传感器是在硅片上扩散出四个桥臂电阻一般将其连接成惠斯顿电桥，为使电桥灵敏度最大，将一对增加的电阻对接，将另一对减小的电阻对接，供电采用两种方式：恒压源和恒流源供电。(一)恒压源供电假定4只扩散电阻阻值均为R且它们电阻的温度系数相同，当硅甚片发生变形时，其中一对电阻的阻值均变为R+dR，另一对电阻阻值均变为R一dR，而由于温度变化而使每个电阻产生的电阻变化为d而那么由图1可得出： 电桥的输出与电阻的变化 R成正比，也与电源电流成正比即输出与恒流源的电流大小与精度有关。但是电桥

6、的输出与温度无关，不受温度的影响，这是恒流源的优点。三、测量电路压阻传感器的电桥输出信号一般比较小，约几十个毫伏。为了便于对信号进行处理，必须将电桥的信号进行放大。运算放大器出现以后，由于其输入阻抗高，增益高，可靠性高，使用方便等原因，检测系统中的放大电路一般均采用它来完成。这种采用通用运算放大器构成的放大电路属于第一代放大电路。这种放大电路有许多种，常用的一种如图3所示： 图3：四典型运用美国AD公司推出的AD522是有代表性的早期的专用放大集成电路，它作为一种精密的仪器放大器是专门为在恶劣的条件下进行高精度的数据采集而设计的。由于它具有高的线性度、共模抑制比、低漂移和低噪声，因而曾一度在许

7、多12位AD转换中经常使用它。将其用作传感器桥路放大器时，外部只需两个电容和两个电位器，但要采取必要的屏蔽措施。美国BB公司于90年代推出的XTRl01是一种420mA二线变送器的专用微型电路。其内部包含个高精度检测放大器一个电压控制输出电流源，两组数值完全相等的基准电流源。最大非线001。工作电源电压范围为11640V。由XTRl01构成的420mA压力变送器的典型电路如5所示。压力传感器由XTRl01 图5中两路电流源之一进行恒流供电。电位器w1用于满量程调节-当输出满量程压力时，通过调节w1使XTRl01的输出为20mA，电位器w2用于调整偏差，以去除Rl01输入端的偏差电压，即当零压力

8、输入时，通过调节w2使XTRl01的输出为4mA。外接晶体T是用以消除由于温度变化带来的精度误差。二极管D起保护作用以防止电源极性接反时对统造成破坏。为XTRl01使始终工作在线性区，输入差分电压需要有一个高于参考电压(7脚)5V的共模电压，为此在传感器与XTRl01的7脚之间串入一个电阻RI。在实际使用中需注意：F的旁路6脚之间的电位器连线应尽可能短以减少噪声干扰和寄生电阻；电源两端接001uf电容，并尽可能靠近7、8脚；输入端接C1，C2以消除干扰信号。该器件的不足之处是所提供的基恒流源只能为lmA输出，输入信号不得超过lV。五温度补偿 半导体器件不可避免一项误差是温度误差，主要是零位温度

9、漂移和灵敏度温度漂移。零位温漂是由于扩散硅电阻的阻值随温度变化引起的，而灵敏度温漂是由于压阻系数随温度变化引起的。因此如压阻传感器有较高的精度要求，必须对传感器进行温度补偿。目前采用的补偿方法主要有模拟补偿和数字补偿两种。(一)模拟补偿(也称线路补偿)灵敏度温漂常采用热敏电阻网络进行补偿，使热零位温漂一般采用串并联电阻的方法补偿，模拟补偿实现起来较复杂和困难，甚至在一些情况下是难于进行补偿的，故一般不选用模拟补偿。(二)数字补偿数字补偿是近年来发展起来的新技术，它是数字电路高速发展的产物。在使用智能芯片的测试系统中只要能精确地建立温度误差的数学模型，则可以圆满地解决这个问题。首先，应对传感器进行全压力范围、全温度范围的精确标定。对应每个压力点，测量传感器在各个温度点上的输出，从而得到一个三维曲面函数即传感