改善智能壓力傳感器系統(tǒng)性能的設計

劉澤楷

河南省鞏義區(qū)第二高級中學東區(qū)分校

改善智能壓力傳感器系統(tǒng)性能的設計

劉澤楷

河南省鞏義區(qū)第二高級中學東區(qū)分校

通過對改善智能壓力傳感器設計的論述，在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對改善智能壓力傳感器性能進行了探究。在著重論述通過改善硬件來提高傳感器性能的基礎上，闡明了提高系統(tǒng)實施性的措施，及提高系統(tǒng)維護性的方法。本論文提出的改善智能壓力傳感器系統(tǒng)性能的設計，具有精度高、智能化程度高，可靠性好等特點。

壓力傳感器；智能；系統(tǒng)性能；優(yōu)化

1 緒論

1.1 智能壓力傳感器概述

1.1.1 壓力傳感器的定義

壓力傳感器是檢測壓力信號并將其轉換為電信號的裝置，具有檢測氣體、液體、固體等物質間作用力能量的功能。壓力傳感器有許多種類，按工作原理可分為：電容式和電感式等；按使用材料可分為：金屬壓力傳感器和半導體壓力傳感器等。

1.1.2 智能壓力傳感器的定義

智能壓力傳感器是具有較強信息處理能力的壓力傳感器,智能壓力傳感器的信息處理能力就是指具有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維判斷的功能。智能壓力傳感器主要應用來檢測壓力，并將其轉換為電信號，進行遠距離傳輸并輸出數(shù)值量。它廣泛應用于工業(yè)生產、軍事國防等多個領域，常常作為一種自動化控制的前端元件。由于智能壓力傳感器具有很強的數(shù)據(jù)收集、處理、傳輸能力，因此被廣泛應用于多種生產、生活環(huán)境。

1.1.3 智能壓力傳感器的功能和特點

智能壓力傳感器大部分具有以下主要功能：

人機對話功能：

智能壓力傳感器可與計算機、儀表等器件組合在一起，配合操作人員指導工作，及時進行修改，減少操作失誤和讀數(shù)失誤。

自動診斷功能：

智能壓力傳感器通過具有診斷功能的軟件，自動對傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進行檢測，并及時發(fā)現(xiàn)故障，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定性，這是智能壓力傳感器的重要功能。

數(shù)據(jù)處理功能：

智能壓力傳感器能對各個被測數(shù)據(jù)進行測量，并可以根據(jù)已知被測數(shù)據(jù)通過計算的方法判斷該數(shù)據(jù)的準確性，并能夠根據(jù)工作環(huán)境和自身條件分析判斷并進行自動切換量程、自動調零、自動修正等。

此外，智能壓力傳感器還具有軟件組態(tài)、接口、信息存儲和記憶等功能。

智能型壓力傳感器的特點：

智能型壓力傳感器具有高性能價格比、高信噪比和高分辨率、適應性強、精確度高、設計制造簡單，使用維修方便、高可靠性和高穩(wěn)定性等特點。

1.2 智能壓力傳感器的研究現(xiàn)狀

智能傳感器的概念，是美國航天部門在開發(fā)宇宙飛船過程中首次提出的。因為宇宙飛船中需要獲得各種各樣的信息，而要處理眾多的由傳感器獲得的信息，需要大量的計算機，這在宇宙飛船上是不現(xiàn)實的。因此，需要一種能解決這些問題的傳感器，所以就出現(xiàn)了智能傳感器。

目前我國對智能壓力傳感器的研究己趕上或者接近世界先進水平，主要研究成果，如表1所示：

表1

1.3 研究的目的和意義

目前智能壓力傳感器在技術方面還一定問題，如：智能壓力傳感器的系統(tǒng)穩(wěn)定性能不夠，硬件設施上的主要原因是：電源、元器件、電源線和地線等干擾。另外，在大量干擾的情況下，也會造成系統(tǒng)軟件損壞。因此，需要通過硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對智能壓力傳感器性能進行改善。

1.4 本論文主要研究的內容

在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對改善智能壓力傳感器性能進行探究。在著重論述通過改善硬件來提高傳感器性能的基礎上，闡明提高系統(tǒng)實施性的措施，及提高系統(tǒng)維護性的方法。

主要研究內容如下：

（1）在硬件抗干擾方面從電源、元器件、電源線和地線等方面進行改善。

（2）在軟件抗干擾方面在故障異常處理方法、掉電措施等方面提高系統(tǒng)性能。

1.5 本章小結

本章首先論述了智能壓力傳感器相關概念及功能特點，然后介紹了智能壓力傳感器的優(yōu)化過程的發(fā)展及現(xiàn)狀，接著介紹了論文的主要研究目的及意義，最后介紹了論文的主要研究內容。

2 具體抗干擾措施

壓力傳感器在工業(yè)、農業(yè)、國防建設、教育事業(yè)、科學研究以及日常生活中的使用非常廣泛。但在實際應用中會發(fā)現(xiàn)壓力傳感器有時測量不夠精準，或者信號的輸出不穩(wěn)定，這一般是因為受到干擾源的干擾。壓力傳感器一旦受外界干擾，那么它的數(shù)據(jù)準就不夠精準，其應用效果也會收到影響。

壓力傳感器的干擾源主要包括靜電感應、漏電流感應、電磁干擾、射頻干擾、其他干擾等幾方面。由于干擾的來源多，影響復雜，我們必須從多個角度考慮，采取多種方法來提高壓力傳感器的抗干擾性?？梢圆捎糜布垢蓴_措施，在此基礎上應用軟件抗干擾技術，兩者相互配合，改善壓力傳感器的性能，使其測量精度和可靠性達到更高的要求。

2.1 硬件抗干擾措施

2.1.1 電源抗干擾

采用性能好、抗干擾能力強的供電系統(tǒng)，盡量減少從電源引入的干擾。當電路采用交流電源供電時，可在電路中串聯(lián)電容較小的電容器，防止低頻電流的干擾。也可以在電路中加入一個高頻扼流圈，防止高頻電流的干擾。同時可利用交流穩(wěn)壓電源，既能保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，又能防止電壓過高或過低，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當電路采取直流電源供電時，可在電路中加入保護二極管，防止電源線反接對電路元器件造成損壞。

2.1.2 印制板電路的抗干擾

印制電路板，又稱印刷電路板，是電子元器件電氣連接的提供者。用電路板的主要優(yōu)點是大大減少布線和裝配的差錯，提高了自動化水平和生產勞動率。其布局與布線將直接的影響可靠性。在設計電路板時，相關部件盡可能靠近，大型散熱部件放置在易于通風散熱的位置。由于信號線之間會產生電磁干擾，所以要進行科學設計。為避免高頻干擾，在印制電路版中，加入一定阻礙高頻信號的元器件。采用光電或電磁隔離強、弱電，利用電磁屏蔽等有效措施，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。選擇良好的接地方式，當系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路時，模擬電路和數(shù)字電路應有各自獨立的空間布局。盡量使用多層板，電源線和地線要盡量加寬。為了避免數(shù)字地與模擬地彼此干擾，兩者要分開接地，最后只有一點連接。在印制板上,表面貼裝部件盡量就近接地,關鍵部位配置去耦電容，焊點錯開排列，以確保所有焊點周圍的電源平面和接地面在整個范圍內是連續(xù)的，印制電路板上信號的走向按順序前進,沒有逆行通道。

2.1.3 雙絞屏蔽電纜長線傳輸

為了避免信號在傳輸過程中產生發(fā)電場、磁場和接地阻抗等干擾，可以采用接地屏蔽雙絞線減少干擾。雙絞線與同軸電纜相比，雖然頻段差，但是波阻抗高，抗共模噪聲能力強，能使每一小部分的電磁干擾互相抵消。在長距離傳輸過程中，通常采用差分信號傳輸來提高抗干擾性能。

2.1.4 屏蔽

屏蔽是抗干擾的有效方法，屏蔽可以解決兩個問題：一是限制內部輻射電磁越出導致信號不穩(wěn)定,二是防止外來的輻射進入影響數(shù)據(jù)的準確性。在發(fā)射源和傳感器之間加入金屬屏蔽體,會減少傳感器收到干擾。屏蔽的有效性與屏蔽材料的自身特性有關。如：材料的導電率、導磁率、厚度等。另外，干擾源頻率、干擾源到屏蔽體的距離,以及屏蔽體上可能存在的各種不連續(xù)形狀和數(shù)量等也會影響屏蔽的有效性。所以設計時考慮以下幾個方面：1、高頻電場屏蔽采取有效措施來得到最大的反射損耗,如以銅、鋁等作為導體；2、低頻磁場屏蔽采取有效措施來得到最大的穿透損耗,如使用鐵和鎳鐵高導磁材料；3、多重屏蔽加強屏蔽效果和擴大屏蔽的頻率范圍；4、配合面要清潔,沒有不導電表層。

2.2 軟件抗干擾措施

2.2.1 輸入數(shù)字信號抗干擾

在數(shù)字信號輸入中，因為操作或外部干擾，會導致狀態(tài)變化，導致錯誤判斷。例如，操作按鈕，電觸點閉合或斷線時有抖動現(xiàn)象，如果沒有對應的措施，可能會產生錯誤。對于數(shù)字信號，干擾信號是毛刺狀，時間的作用很短。有了這個特點，在收集數(shù)字信號時，可以重復多次采集，直到兩次或多次收集的結果一致。如多次采集后信號總是不穩(wěn)定的，可以停止采集，給出報警信號。對于數(shù)字信號采集不能使用多重平均法，而是比較兩個以上的采集結果是否一樣。為了滿足實時要求，要根據(jù)信號的特性，設置適當?shù)臄?shù)字信號延遲，以滿足不同寬度的干擾信號。每次采集的最大次數(shù)和連續(xù)次數(shù)可以根據(jù)實際情況進行調整。

2.2.2 掉電保護

智能壓力傳感器系統(tǒng)在工作時，瞬時斷電或電壓突然下降將導致系統(tǒng)損壞，如數(shù)據(jù)丟失，程序跑飛等。因此，掉電保護至關重要。在軟件中，應該設置掉電保護中斷服務程序，以便系統(tǒng)及時響應掉電。在掉電中斷服務程序中，首先注意現(xiàn)場保護，重要的狀態(tài)參數(shù)、中間結果，一些片內存儲器的內容都存入有備用電池的RAM中。隨后相關外圍設備進行適當?shù)奶幚?，如關閉輸入和輸出，使外圍設備處于非工作狀態(tài)。最后，將特定標簽存儲在RAM的一個或兩個單元中，作為掉電標簽，然后進入掉電保護工作狀態(tài)。當電源恢復正常時，CPU復位，復位首先檢查是否有掉電標記，若有，則此時復位為掉電保護之后的復位，根據(jù)電源中斷服務程序以相反的方式恢復現(xiàn)場，以合理的方式確保系統(tǒng)完成未完成的工作。

2.3 本章小結

本章分別介紹了硬件抗干擾和軟件抗干擾方法，主要從改善傳感器的電源、印制板電路、屏蔽、雙絞線等硬件設施，以及利用輸入數(shù)字信號、掉電保護等方法，改善智能壓力傳感器的性能。

3 總結與展望

壓力傳感器抗干擾是一個復雜又具有實踐性的問題，干擾是由許多因素引起的。因此，在提高智能壓力傳感器的性能設計上，我們不僅要采取硬件抗干擾措施對傳感器的電源、印制板電路、屏蔽、雙絞線傳輸?shù)确矫孢M行改進，也要采取軟件抗干擾措施不斷改進抗干擾能力，提高傳感器的精確性。

為克服傳統(tǒng)壓力傳感器的不足，本文在在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對改善智能壓力傳感器性能進行了探究。

本論述雖然達到了預期的效果，但由于時間倉促和本人實際經驗的缺乏，還存在一些不足之處，并且受客觀條件的限制，思路也有局限性，還有許多地方需要完善。

[1]韓麗娜.智能壓力傳感器的研究.山東科技大學

[2]王洪巖，王濱，智文虎.壓力傳感器的電磁干擾及其解決方法.信息產業(yè)部電子第四十九研究所.

[3]崔淑琴.智能壓力傳感器的研究.哈爾濱理工大學

[4]常一帆.智能壓力傳感器系統(tǒng)設計.西北工業(yè)大學自動化學院.

[5]孫亞楠.軟件抗干擾技術.陜西西安第二炮兵工程學院研三隊.

劉澤楷，男，高中生，學習理科，興趣廣泛，愛好物理、歷史、文學，旅行、圍棋，對物理學科的喜愛尤為突出，在校物理成績優(yōu)秀，課余時間也學習了解過有關物理、電子、自動化等方面的書籍，進行過與壓力傳感器相關的專利設計，在學校期間多次獲得三好學生、優(yōu)秀學生、文明學生等榮譽稱號。