基于Z-力敏元件的測(cè)力研究*

江　東，單　薏，劉緒坤，楊嘉祥，王德玉

（哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱150080）

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基于Z-力敏元件的測(cè)力研究*

江東*，單薏，劉緒坤，楊嘉祥，王德玉

（哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱150080）

摘要：Z-力敏元件是一種新型的半導(dǎo)體器件，輸出為與壓力應(yīng)變有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的頻率量，該器件具有分散性、非線性、溫度特性、零點(diǎn)漂移等特性，須通過硬件或補(bǔ)償軟件才能實(shí)際應(yīng)用。本文對(duì)Z-力敏元件的特性進(jìn)行了研究，通過三次樣條插值方法實(shí)現(xiàn)力敏元件的線性化，通過二次插值方法實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，通過加載時(shí)重量突變編程鎖定的方法解決零點(diǎn)漂移。實(shí)驗(yàn)表明，通過數(shù)字化補(bǔ)償后Z-力敏元件可輸出與被測(cè)壓力應(yīng)變成正比的線性輸出，該研究為Z-力敏元件的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器；非線性補(bǔ)償；溫度補(bǔ)償；零點(diǎn)漂移

具有模擬量輸出的壓力應(yīng)變傳感器按材料分類有電阻式［1-2］、電感式［3-4］、電容式［5-7］、陶瓷式［8-9］和半導(dǎo)體式等［10-11］。這些壓力傳感器在數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用需要首先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換［12-14］，電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。Z-力敏元件構(gòu)成的力傳感器屬于半導(dǎo)體材料，但與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的力傳感器不同，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體測(cè)力原理是力改變半導(dǎo)體的電阻值，通過測(cè)量電阻值實(shí)現(xiàn)力的測(cè)量。Z-力敏元件的工作原理是力改變半導(dǎo)體的輸出頻率，輸出頻率與所受壓力應(yīng)變具有確定的關(guān)系，可直接輸出數(shù)字信號(hào)，因此可省去A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因其簡(jiǎn)單、方便、成本低，所以應(yīng)用前景廣泛。由于Z-力敏元件的工作機(jī)理是半導(dǎo)體性質(zhì)，其存在著分散性、非線性、溫度特性和零點(diǎn)漂移等特性［15］，因此需要通過補(bǔ)償方能實(shí)際應(yīng)用。本文通過軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q上述問題。

1　Z-力敏感元件工作電路

Z-力敏元件工作電路如圖1所示。

工作電路由Z-力敏元件、電容和電阻構(gòu)成。其原理：Z-力敏元件具有負(fù)阻效應(yīng)，利用其負(fù)阻效應(yīng)可構(gòu)成電容的充放電電路。Z-力敏元件的振蕩電路可輸出頻率信號(hào)，其值與壓力應(yīng)變有確定的關(guān)系。將具有負(fù)阻效應(yīng)的臨界電壓稱為跳變電壓，用Uth表示，當(dāng)達(dá)到跳變電壓時(shí)輸出電壓由高跳變到低。實(shí)測(cè)電容為0.01 μF～0.47 μF，電阻為5 kΩ～20 kΩ有穩(wěn)定的頻率輸出信號(hào)。

圖1　Z-力敏元件工作電路

當(dāng)電容值較小時(shí)輸出頻率和應(yīng)變靈敏度較高，但零點(diǎn)漂移也大。電容值過大或過小以及電源電壓過高或過低電路都不能保持振蕩輸出。輸出信號(hào)幅度在正常范圍內(nèi)隨壓力應(yīng)變加大輸出頻率值的遞增速率略有下降。為提高測(cè)量電路的輸入阻抗和波形整形選用LM358型號(hào)的運(yùn)算放大器，見圖2。

圖2　Z -力敏元件波形整形電路

圖2中前級(jí)運(yùn)放A1提高輸入阻抗，后級(jí)運(yùn)放A2起波形整形的作用，A2輸出端波形如圖3所示。

圖3　Z-力敏元件輸出波形

為提高系統(tǒng)抗干擾能力，經(jīng)過編程設(shè)計(jì)上限截止頻率f上截止=5 kHz，經(jīng)過濾波后的輸出波形，見圖4。

圖4　經(jīng)過濾波后的輸出波形

設(shè)計(jì)的整形電路由R2、R3、C2和T構(gòu)成，整形后的輸出信號(hào)uo2的波形如圖5所示。

圖5　整形后的輸出波形

取上限截止頻率f上截止=5 kHz，經(jīng)過濾波后的整形波形見圖6。

圖6　經(jīng)過濾波后的整形波形

圖6中濾波后的整形波形的頻率略低于圖4，是由于在圖2測(cè)量電路中數(shù)據(jù)采集器的輸入阻抗較小，接入電路后使輸出頻率增加。由此看出，提高測(cè)試系統(tǒng)的輸入阻抗可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了進(jìn)一步減小測(cè)試系統(tǒng)對(duì)組態(tài)電路的影響，可采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)組態(tài)電路與測(cè)量電路的隔離，見圖7。

圖7　Z-力敏元件光電隔離電路

圖7采用TIL117光電耦合器。左邊接Z-力敏元件的工作電路，所用電源電壓是VCC1，右邊輸出耦合數(shù)字信號(hào)，所用電源電壓是VCC2。

2　Z-力敏元件工作特性

為了解Z-力敏元件的工作特性，實(shí)測(cè)了壓力應(yīng)變與輸出頻率之間的關(guān)系。圖8給出了兩個(gè)型號(hào)的Z-力敏元件在不同溫度下的輸出頻率曲線。

圖8　不同溫度下的輸出頻率曲線

圖8可見Z-力敏元件的工作特性：①分散性：不同型號(hào)的Z-力敏元件應(yīng)變與輸出頻率具有不同的關(guān)系曲線，即：f1(ε,t)≠f2(ε,t)（其中ε為敏感元件所受壓力應(yīng)變，t為時(shí)間，f為輸出頻率）。輸出頻率范圍一般在800 Hz～2 400 Hz。分散性需要通過制作Z-力敏元件時(shí)盡量采用相同的材料和加工條件，以使其輸出特性接近；②非線性：各種型號(hào)的Z-力敏元件輸出頻率與所加的壓力應(yīng)變不是線性關(guān)系，即輸出頻率f (ε)=g(ε)之間的關(guān)系是非線性關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)可知Z-力敏元件隨所受壓力應(yīng)變的增加，輸出頻率的增量呈減小趨勢(shì)，非線性的問題可以通過非線性補(bǔ)償?shù)姆椒右越鉀Q；③溫度特性：由于Z-力敏元件實(shí)質(zhì)是半導(dǎo)體器件，因此具有輸出頻率受溫度影響的特性，Z-力敏元件隨溫度的增加輸出頻率均隨之增加，f1(ε,T1)≠f1(ε,T2)其中ε為敏感元件所受壓力應(yīng)變，T為溫度，f為輸出頻率，即同一個(gè)Z-力敏元件在所受壓力應(yīng)變相同而溫度不同時(shí)輸出頻率不同。解決溫度特性的影響可通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右越鉀Q；④零點(diǎn)漂移特性：隨時(shí)間的推移，輸出頻率緩慢變化；⑤重復(fù)性：工作條件相同時(shí)一般輸出頻率是相同的。

3　系統(tǒng)補(bǔ)償及溫度漂移處理

3.1非線性補(bǔ)償

由于Z-力敏元件隨所受壓力應(yīng)變與輸出頻率為非線性關(guān)系，需要通過補(bǔ)償才能具有線性化輸出。補(bǔ)償可以采用硬件方法，但硬件補(bǔ)償將會(huì)增加成本，并且很難在整個(gè)量程區(qū)間保證測(cè)量精度，而軟件補(bǔ)償方法可以實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)校正，軟件補(bǔ)償原理見圖9。

圖9　基于Z-力敏元件軟件補(bǔ)償原理圖

實(shí)測(cè)20℃輸出頻率與壓力應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表1。采用3次樣條插值方法，用分段三次多項(xiàng)式曲線光滑地連接相鄰樣本點(diǎn)，整體上具有函數(shù)、一階和二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)性。針對(duì)表1輸出頻率與壓力應(yīng)變對(duì)應(yīng)值，采用三次樣條插值結(jié)果見圖10。

表1　20℃實(shí)測(cè)壓力應(yīng)變與輸出頻率

圖10　20℃非線性補(bǔ)償

通過三次樣條插值計(jì)算，可以得到傳感器任意輸出頻率下所對(duì)應(yīng)的壓力應(yīng)變實(shí)際值。加載線性變化壓力應(yīng)變時(shí)輸出為線性化頻率。

3.2溫度補(bǔ)償

通過對(duì)Z-力敏元件工作特性的研究得知，不同溫度下，Z-力敏元件輸出頻率與壓力應(yīng)變關(guān)系曲線不同。必須考慮溫度影響，通過溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)傳感器的線性化輸出。以5℃～10℃，每間隔5℃實(shí)測(cè)壓力應(yīng)變對(duì)應(yīng)的頻率輸出，表2給出10℃～50℃間隔10℃的測(cè)量結(jié)果。

表2　不同溫度實(shí)測(cè)輸出頻率與壓力應(yīng)變　單位：Hz

為了實(shí)現(xiàn)不同溫度的補(bǔ)償，采用二次函數(shù)的插值計(jì)算方法，將溫度值和輸出頻率作為自變量，壓力應(yīng)變作為函數(shù)。

通過一元函數(shù)插值方法獲得等間距頻率量對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變，由此獲得二次函數(shù)的插值點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　二次函數(shù)插值點(diǎn)

Z -力敏元件輸出頻率與壓力應(yīng)變呈單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，滿足分段三次插值的運(yùn)算條件，表3中自變量插值點(diǎn)和溫度均為等間距取值，分段三次插值計(jì)算結(jié)果，見圖11。

圖11　分段三次插值計(jì)算結(jié)果

Z-力敏元件測(cè)力系統(tǒng)工作時(shí)，由溫度傳感器測(cè)出實(shí)際溫度值，單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器測(cè)量出壓力應(yīng)變下的頻率值，通過分段三次插值計(jì)算公式［16］：

其中，f為被測(cè)頻率，T為環(huán)境溫度，ε為壓力值，f1為當(dāng)前實(shí)測(cè)頻率，T1為當(dāng)前環(huán)境溫度，ε1為插值后得到的實(shí)測(cè)壓力值。

為清楚地看出頻率、溫度取值與測(cè)量壓力關(guān)系，通過數(shù)據(jù)處理得到等壓力線，見圖12。

圖12　等壓力線

由圖12可以清楚地看出壓力與頻率和溫度之間的分布關(guān)系。

通過三次插值實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償后，以頻率信號(hào)輸出被測(cè)壓力。輸出頻率與被測(cè)壓力關(guān)系，見表4。

表4　輸出頻率與被測(cè)壓力關(guān)系

由表4看出，頻率對(duì)應(yīng)壓力應(yīng)變的靈敏度為SI=1 Hz/g，輸出頻率和壓力應(yīng)變呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3零點(diǎn)漂移處理和自校零功能實(shí)現(xiàn)

隨時(shí)間變化，輸出頻率也緩慢變化，一般呈現(xiàn)逐步上升趨勢(shì)，1分鐘漂移1 Hz～3 Hz左右，且具有累積特性，若間隔時(shí)間超過幾十分鐘以上，可達(dá)到幾十赫茲的偏移。

在實(shí)測(cè)時(shí)加重物一般是一個(gè)突然變化量，每秒鐘一般變化量超過3 Hz以上。根據(jù)這一特點(diǎn)可以區(qū)分零點(diǎn)漂移信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)。通過程序判斷加重物穩(wěn)定后進(jìn)行鎖定的辦法來克服零點(diǎn)漂移的影響。通過程序判斷，若頻率值變化在5秒鐘內(nèi)不超過3 Hz可認(rèn)為已達(dá)到平衡，立即將該值鎖定保持這一測(cè)量值，從而避開了零點(diǎn)漂移的影響。當(dāng)檢測(cè)出有重物變化，即每秒鐘變化3 Hz以上時(shí)可判斷出有重物加載，此時(shí)進(jìn)行解鎖操作，程序?qū)⒗^續(xù)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，并運(yùn)行測(cè)量校正程序。

零點(diǎn)漂移處理程序框圖見圖13。

圖13　零點(diǎn)漂移處理程序框圖

為了能夠給出各壓力應(yīng)變?chǔ)潘鶎?duì)應(yīng)的正確輸出頻率值f，每次測(cè)量時(shí)均需進(jìn)行校零。通過程序判斷，實(shí)現(xiàn)自校零功能。

3.4測(cè)量速度與精度的關(guān)系

常規(guī)設(shè)計(jì)中為了提高系統(tǒng)測(cè)量精度和提高系統(tǒng)抗干擾能力，Z -力敏元件需要通過程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)求平均值以實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。但當(dāng)被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生突變時(shí)，因?yàn)樵紨?shù)據(jù)是變化前的數(shù)據(jù)求平均值，這些值與突變數(shù)據(jù)一起求平均值會(huì)影響跟蹤被測(cè)信號(hào)的速度，因此出現(xiàn)了精度和速度的矛盾。為了解決采樣精度和速度的矛盾，本文提出可變精度算法，其框圖見圖14。

通過圖14的程序處理解決了壓力應(yīng)變?chǔ)磐蝗蛔兓瘯r(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的問題。

可變精度算法和不可變精度算法與測(cè)量結(jié)果比較見圖15。

圖15　可變精度算法與不變精度算法比較

圖中黑色線為未經(jīng)處理的壓力應(yīng)變?chǔ)磐蝗桓淖兊念l率值的變化曲線，藍(lán)色虛線為通過普通求平均得到的頻率變化曲線，紅的實(shí)線為通過可變精度算法得到的頻率變化曲線。對(duì)比可以看出，紅色實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量值的速度很快，并且隨時(shí)間推移其精度逐漸提高。藍(lán)色虛線則反應(yīng)較慢。由此解決了速度和精度之間的矛盾。

4　Z-力敏元件的測(cè)試系統(tǒng)

Z-力敏元件輸出數(shù)字量可通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，其測(cè)試系統(tǒng)見圖16。

圖16　Z-力敏元件測(cè)試系統(tǒng)

圖16中除了常規(guī)的鍵盤、顯示和通訊接口設(shè)計(jì)外增加了串行接口電可擦寫存儲(chǔ)器24C02，用于存儲(chǔ)補(bǔ)償數(shù)據(jù)。該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可實(shí)現(xiàn)傳感器小型化等批量生產(chǎn)。利用單片機(jī)定時(shí)、計(jì)數(shù)功能測(cè)量傳感器的輸出頻率。ICL232為通訊接口芯片與RS232接口連接用以實(shí)現(xiàn)AT2051與PC機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)通訊。

5　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及誤差分析

為驗(yàn)證分析方法是否正確，逐次給Z-力敏元件外加1 kg～10 kg壓力，記錄測(cè)試系統(tǒng)的輸出頻率，見圖17。由實(shí)測(cè)可知，系統(tǒng)輸出最大絕對(duì)誤差是10 Hz，對(duì)應(yīng)壓力誤差為10 g，最大相對(duì)誤差為1.2%。

圖17　測(cè)試系統(tǒng)線性度

6　結(jié)束語

通過對(duì)Z-力敏元件特性研究得出：利用Z-力敏元件在相同測(cè)量條件下具有重復(fù)性來解決存在的分散性、非線性、溫度特性、和零點(diǎn)漂移特性等問題。通過三次樣條插值方法可以解決分散性、非線性和溫度對(duì)測(cè)量的影響；利用實(shí)測(cè)加載時(shí)的重量突變可以區(qū)分被測(cè)信號(hào)和零點(diǎn)漂移信號(hào)，通過程序鎖定實(shí)測(cè)重量，避開了零點(diǎn)漂移的影響；通過程序判斷是否為未加載狀況實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自校零功能。此外，提出的可變精度測(cè)量方法，可加快測(cè)量速度，解決了精度與速度的矛盾。通過標(biāo)準(zhǔn)化的頻率輸出統(tǒng)一了被測(cè)信號(hào)的頻率輸出值。研究結(jié)果為Z-力敏元件測(cè)力的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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江　東（1960-）男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，主要研究方向?yàn)殡姽だ碚撔录夹g(shù)、傳感器開發(fā)及應(yīng)用，wdyu2004@ 163.com；

單　薏（1972-）女，黑龍江哈爾濱人，講師，主要研究方向?yàn)殡姽だ碚撔录夹g(shù)及其應(yīng)用，Shanyi_72@sohu.com。

Research on Testing Force Based on Z-Sensitive Element*

JIANG Dong*，SHAN Yi，LIU Xukun，YANG Jiaxiang，WANG Deyu
（College of Electrical &Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：Since Z-sensitive element is a semiconductor element that exists dispersion，nonlinearity，temperature characteristics，zero drift characteristics，the amount of output frequency are correspondence to strain of the pres?sure，it can be applied only after compensation.The characteristics above of the Z-force-sensitive components were researched in this paper.The dispersion and nonlinear of the force-sensitive element is solved by cubic spline inter?polation method.The temperature characteristics exist is solved by quadratic interpolation method.The zero drift characteristics are solved by lock method through program.Experiments show that through digitization compensated Z-force-sensitive components the output frequency of the test system can directly proportional to the measured pres?sure strain.The research results lay a foundation for practical application of Z-force-sensitive element.

Key words：pressure sensors；nonlinear compensation；temperature compensation；zero drift

doi：EEACC：7100；7210；723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.006

收稿日期：2015-09-10修改日期：2015-10-23

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）02-0182-06

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51377037）