MPXAZ6115A壓力傳感器檢測以及應(yīng)用設(shè)計研究

【摘要】壓力檢測傳感器在秤體設(shè)計以及測量領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用。壓力傳感器主要是實現(xiàn)壓力信號到電信號的轉(zhuǎn)換，在實際應(yīng)用過程中可以通過電橋電路以及信號調(diào)理電路對電信號進行處理，在綜合應(yīng)用各類控制器及驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上就可以實現(xiàn)測量等工程方面的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】壓力傳感器；檢測；線性；設(shè)計；研究

1.引言

對壓力的檢測在測量以及相關(guān)的工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。重量壓力是自然界中重要的基本物理量，實現(xiàn)對壓力的測量在實際系統(tǒng)中就顯得尤為重要。壓力測量一般包含信號采集、信號的調(diào)理以及控制輸出等組成部分，可以構(gòu)成工業(yè)檢測以及生活中的多種產(chǎn)品應(yīng)用，

2.壓力傳感器特性分析

2.1 壓力傳感器基本特性

壓力傳感器是工業(yè)系統(tǒng)中最為常用的基本測試元件之一。可以實現(xiàn)壓力到模擬電信號之間的能量形式轉(zhuǎn)換。目前廣泛應(yīng)用的壓力傳感器都是采用壓電效應(yīng)制作而成。現(xiàn)代電子設(shè)計系統(tǒng)中要求具有電學輸出，目前應(yīng)用較為廣泛的是半導(dǎo)體壓力傳感器，隨著MEMS技術(shù)的不斷進步，半導(dǎo)體壓力傳感器呈現(xiàn)出功耗不斷降低、可靠性不斷增強的特點。半導(dǎo)體壓力傳感器主要有半導(dǎo)體電阻型以及凈電容量兩種基本類型，其核心原理都是通過電壓改變本身的參數(shù)，從而達到改變輸出電氣信號的目的。對于壓力傳感器一般從最大壓力范圍、線性度以及壓力遲滯等多個方面進行評估。在實際的應(yīng)用中要能夠保證產(chǎn)品的工作范圍在傳感器壓力測量范圍之內(nèi)，同時要能夠以良好的線性度保證測量的精度度。

2.2 壓力傳感器特性測試

以目前廣泛使用的MOTOROLA公司的MPXAZ6115A壓力傳感器為例，對其輸出特性（輸出電壓與壓力以及工作環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)換誤差之間的關(guān)系）。MPXAZ6115A對于工作環(huán)境溫度、濕度的影響具有較強的抑制作用，在工作溫度較高的情況下也能夠保持較高的轉(zhuǎn)換精度，在0-85°C的溫度范圍內(nèi)能夠保證不超過1.5%，同時產(chǎn)品能夠與處理器以及控制器完全兼容，并具有適合精密產(chǎn)品開發(fā)的SMT封裝形式。其內(nèi)部電路原理圖如圖1所示。

對于壓力傳感器的測試主要是對其壓力以及輸出電壓的線性度進行測試，在測試中溫度也是影響壓力傳感器輸出的重要因素，在因此在測試過程中采用在最低溫度、典型室溫以及最大溫度下的測量，對傳感器在其溫度工作范圍進行了測試，考慮到其參數(shù)得到的測試曲線如圖2所示。

3.壓力傳感器的應(yīng)用研究設(shè)計

3.1 壓力傳感器的應(yīng)用研究

壓力傳感器在航空器高度檢測、工業(yè)控制、發(fā)動機控制以及日常生活壓力測試中具有重要的應(yīng)用。在航空器的高度檢測中可以通過測量空氣的壓強，并以此為依據(jù)來得出實時的高度，同時在工業(yè)控制中也需要對壓力進行檢測，控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。日常生活中測量壓力的電路原理圖如圖3所示。

在本產(chǎn)品的設(shè)計中，采用了電橋電路有效提升了測試精度，同時采用了基于IC1，IC2以及IC3的差分運算放大器有效抑制了電路工作過程中共模干擾，最后通過IC4組成的運放將輸出電壓進行規(guī)劃，保證符合AD電路的輸入要求，最后控制器控制顯示單元進行重量測量結(jié)果的顯示。

3.2 壓力傳感器應(yīng)用過程中的誤差處理

壓力傳感器的轉(zhuǎn)換精度對于電路測量的效果具有重要的影響。首先是在壓力測量范圍內(nèi)，由于垂直方向的位移量保持恒定，因此在變頻器擴散以及激光調(diào)節(jié)中將會產(chǎn)生一定的偏移量誤差，其次就是線性度誤差，該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性，但對于帶放大器的傳感器，還應(yīng)包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線稱重傳感器。同時還有靈敏度誤差，所謂靈敏度的誤差就是壓力的大小與誤差的大成正比，因此傳感器的輸出就必須就是一個復(fù)雜函數(shù)，誤差的產(chǎn)生原因在于擴散過程的變。

對于壓力傳感誤差的處理有硬件電路優(yōu)化以及軟件補償兩個方面。硬件電路主要是應(yīng)用性能優(yōu)越的芯片、電子元器件進行電路性能的優(yōu)化。如采用差分電路減小輸出的共模干擾，應(yīng)用電橋進行測試精度的提升等。軟件補償就是應(yīng)用微處理器的豐富軟件功能，根據(jù)誤差的特點，設(shè)計相應(yīng)的算法，對傳感器帶來的誤差進行有效的修正。軟件補償算法中一般采用曲線擬合以及表格兩種方案。采用曲線擬合的方案時，可以使用切比雪夫法進行誤差估計以及估計函數(shù)的建立，或者采用最小二乘法進行最佳擬合直線或者多項式曲線擬合，目前隨著計算機處理以及MCU處理能力的不斷提升，廣泛采用的最小二乘法進行曲線的擬合，通過軟件的補償可以對測試系統(tǒng)的誤差進行有效修正，減小測試過程中傳感器轉(zhuǎn)換誤差帶來的影響。

4.結(jié)論

作為工業(yè)控制、產(chǎn)品設(shè)計以及日常生活中重要的基本物理量，重量的測量具有重要的意義。壓力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)壓力信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換。在設(shè)計過程中，首先要根據(jù)測量要求選擇參數(shù)合理的傳感器，并對傳感器進行特性檢測，總結(jié)輸入與輸出之間的函數(shù)關(guān)系，為軟件設(shè)計提供重要的參考。同時在設(shè)計過程中，要能夠采用硬件電路優(yōu)化以及軟件補償?shù)姆桨?，對測量過程中的干擾進行有效的抑制，提升產(chǎn)品的精度。

參考文獻

[1]卞金洪.王吉林.周鋒.高精度壓力傳感器中溫度補償技術(shù)研究[J].哈爾濱理工大學學報，2011（6）.

[2]李世維.劉君華.王群書.降低多傳感器交叉敏感的法方程組方法[J].西安交通大學學報，2009（6）.

[3]張有鳳，王欽若，張慧.基于壓力檢測的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].陜西理工學院學報（自然科學版），2006，（03）.

[4]周鳴爭，楚寧.一種基于能量約束的傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)數(shù)據(jù)融合算法[J].儀器儀表學報，2007（01）.

[5]孫以材，劉玉嶺.自平衡電橋激勵的壓力傳感器零點輸出信號的電漂移特性[J].電子學報，2000（11）.

基金項目：江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學者計劃資助項目（2013）。

作者簡介：錢松（1982—），男，江蘇姜堰人，揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院講師，工程師，研究方向：電路設(shè)計，信號處理等。