傳感器原理與運(yùn)用課件

1、壓阻傳感器在驗(yàn)潮儀中的應(yīng)用制作者：孫鵬班級：232122 學(xué)號：20121003920摘要: 壓阻傳感器由于其靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng) 快、測量精度 高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍 寬、易于小型化、使用方便，而獲得廣泛應(yīng)用，因此目前的壓力驗(yàn)潮儀產(chǎn)品中大都采用這種傳感器。本文闡述了壓阻傳感器的工作原理，及在驗(yàn)潮儀應(yīng)用中該傳感器電源的選擇對精度的影響本文介紹了幾種典型的測量放大電路，并對溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞 ： 壓阻傳感器 驗(yàn)潮儀簡介：目前，潮汐測量廣泛使用的驗(yàn)潮儀主要有浮子式、聲學(xué)式和壓力式三種類型，它們各有自己的特點(diǎn)。但前兩種形式的驗(yàn)潮儀對測量環(huán)境的要求較高，浮子式驗(yàn)漸儀必須安放在驗(yàn)潮井中，

2、須打井建站，輔助費(fèi)用較高且不機(jī)動(dòng)靈活，它適用于岸邊的長期定點(diǎn)驗(yàn)潮：而聲學(xué)式驗(yàn)潮儀必須海域的驗(yàn)潮且無論是短期還是長期驗(yàn)潮，它都能勝任。咀海岸作為依托，測量水深較淺。這兩種驗(yàn)潮儀對于離岸較遠(yuǎn)的驗(yàn)潮點(diǎn)均不便使用。而壓力式驗(yàn)潮儀所適用的范圍廣闊，它不需要打井建站，不但適用于沿岸碼頭，而且對于遠(yuǎn)離岸邊及較深壓力式驗(yàn)潮儀在壓力傳感器技術(shù)有了長足發(fā)展之后才得以發(fā)展。目前最具代表性的壓力傳感器是固態(tài)壓阻傳感器，它是發(fā)展非常迅速的一種傳感器，它于七十年代初期開始發(fā)展，但只是近幾年，隨著雙面光刻技術(shù)、各項(xiàng)異性腐蝕技術(shù)、熱匹配技術(shù)、硅擴(kuò)散技術(shù)和集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，使壓阻傳感器才有了次飛躍，使它在眾多的壓力傳感器

3、中豆得尤為出眾，太有替代其他類型壓力傳感器之勢。國內(nèi)外現(xiàn)已涌現(xiàn)出許多形式的半導(dǎo)體型壓阻傳感器。目前，壓力式驗(yàn)潮儀的壓力傳感器大都采用壓阻傳感器，這種傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的，由于這種傳感器具有的顯著優(yōu)點(diǎn)，因而獲得日益廣泛的應(yīng)用。本文對壓阻傳感器在驗(yàn)潮儀中的幾個(gè)有代表性、且在不斷發(fā)展的新技術(shù)作介紹和討論。對于電阻應(yīng)變絲其電阻絲伸長或縮短會改變電阻值，當(dāng)電阻絲被拉伸時(shí)，L伸長dL，A則縮 小dAp在受力作用下也會產(chǎn)生電阻率的變化dp。因而電阻值的變化可用下式表示 (3) 由（2）/（3） 得， （4） 化簡得： （5）其中： 為泊松比 表示應(yīng)變絲靈敏度系數(shù)。 表示軸向相對變形，

4、 故： 整理后得 （8） 由式(8)可看出電橋輸出一方面與dRR成正比，另一方面又與電橋供電電壓成正比，即電橋的輸出電壓除了與被測量成正比外，還與電橋輸入電壓 的大小和精度有關(guān)。同時(shí)電橋輸出電壓如還與溫度有關(guān)， 圖2當(dāng)溫度變化時(shí)，電橋輸出電壓 與 成非線性關(guān)系，采用恒壓源供電時(shí)，不能消除溫度的影響。(=)恒流源供電恒流源供電時(shí)，由圖2可看出，當(dāng)硅芯片發(fā)生變形時(shí)，假設(shè)電橋兩個(gè)支路的電阻相等，即每條支路上的一個(gè)電阻阻值增加 R,而另一個(gè)電阻阻值減少 R見那么通過每條支路的電流也相等，且都等于I。2。因而可得： 即： （9） 式中l(wèi)+2u為一常數(shù)，一般在16左右 是由電導(dǎo)率引起的，也是常數(shù)，故是常數(shù)

5、，得 （6） （7）(7)式表明電阻的變化與其軸向變形成正比，這也就是壓阻應(yīng)變的原理. 二、供電電源對精度的影響 圖1壓阻傳感器是在硅片上擴(kuò)散出四個(gè)橋臂電阻一般將其連接成惠斯頓電橋，為使電橋靈敏度最大，將一對增加的電阻對接，將另一對減小的電阻對接，供電采用兩種方式：恒壓源和恒流源供電。(一)恒壓源供電假定4只擴(kuò)散電阻阻值均為R且它們電阻的溫度系數(shù)相同，當(dāng)硅甚片發(fā)生變形時(shí)，其中一對電阻的阻值均變?yōu)镽+dR，另一對電阻阻值均變?yōu)镽一dR，而由于溫度變化而使每個(gè)電阻產(chǎn)生的電阻變化為d而那么由圖1可得出： 電橋的輸出與電阻的變化 R成正比，也與電源電流成正比即輸出與恒流源的電流大小與精度有關(guān)。但是電橋

6、的輸出與溫度無關(guān)，不受溫度的影響，這是恒流源的優(yōu)點(diǎn)。三、測量電路壓阻傳感器的電橋輸出信號一般比較小，約幾十個(gè)毫伏。為了便于對信號進(jìn)行處理，必須將電橋的信號進(jìn)行放大。運(yùn)算放大器出現(xiàn)以后，由于其輸入阻抗高，增益高，可靠性高，使用方便等原因，檢測系統(tǒng)中的放大電路一般均采用它來完成。這種采用通用運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路屬于第一代放大電路。這種放大電路有許多種，常用的一種如圖3所示： 圖3：四典型運(yùn)用美國AD公司推出的AD522是有代表性的早期的專用放大集成電路，它作為一種精密的儀器放大器是專門為在惡劣的條件下進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)的。由于它具有高的線性度、共模抑制比、低漂移和低噪聲，因而曾一度在許

7、多12位AD轉(zhuǎn)換中經(jīng)常使用它。將其用作傳感器橋路放大器時(shí)，外部只需兩個(gè)電容和兩個(gè)電位器，但要采取必要的屏蔽措施。美國BB公司于90年代推出的XTRl01是一種420mA二線變送器的專用微型電路。其內(nèi)部包含個(gè)高精度檢測放大器一個(gè)電壓控制輸出電流源，兩組數(shù)值完全相等的基準(zhǔn)電流源。最大非線001。工作電源電壓范圍為11640V。由XTRl01構(gòu)成的420mA壓力變送器的典型電路如5所示。壓力傳感器由XTRl01 圖5中兩路電流源之一進(jìn)行恒流供電。電位器w1用于滿量程調(diào)節(jié)-當(dāng)輸出滿量程壓力時(shí)，通過調(diào)節(jié)w1使XTRl01的輸出為20mA，電位器w2用于調(diào)整偏差，以去除Rl01輸入端的偏差電壓，即當(dāng)零壓力

8、輸入時(shí)，通過調(diào)節(jié)w2使XTRl01的輸出為4mA。外接晶體T是用以消除由于溫度變化帶來的精度誤差。二極管D起保護(hù)作用以防止電源極性接反時(shí)對統(tǒng)造成破壞。為XTRl01使始終工作在線性區(qū)，輸入差分電壓需要有一個(gè)高于參考電壓(7腳)5V的共模電壓，為此在傳感器與XTRl01的7腳之間串入一個(gè)電阻RI。在實(shí)際使用中需注意：F的旁路6腳之間的電位器連線應(yīng)盡可能短以減少噪聲干擾和寄生電阻；電源兩端接001uf電容，并盡可能靠近7、8腳；輸入端接C1，C2以消除干擾信號。該器件的不足之處是所提供的基恒流源只能為lmA輸出，輸入信號不得超過lV。五溫度補(bǔ)償 半導(dǎo)體器件不可避免一項(xiàng)誤差是溫度誤差，主要是零位溫度

9、漂移和靈敏度溫度漂移。零位溫漂是由于擴(kuò)散硅電阻的阻值隨溫度變化引起的，而靈敏度溫漂是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化引起的。因此如壓阻傳感器有較高的精度要求，必須對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。目前采用的補(bǔ)償方法主要有模擬補(bǔ)償和數(shù)字補(bǔ)償兩種。(一)模擬補(bǔ)償(也稱線路補(bǔ)償)靈敏度溫漂常采用熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)償，使熱零位溫漂一般采用串并聯(lián)電阻的方法補(bǔ)償，模擬補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜和困難，甚至在一些情況下是難于進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，故一般不選用模擬補(bǔ)償。(二)數(shù)字補(bǔ)償數(shù)字補(bǔ)償是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，它是數(shù)字電路高速發(fā)展的產(chǎn)物。在使用智能芯片的測試系統(tǒng)中只要能精確地建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型，則可以圓滿地解決這個(gè)問題。首先，應(yīng)對傳感器進(jìn)行全壓力范圍、全溫度范圍的精確標(biāo)定。對應(yīng)每個(gè)壓力點(diǎn)，測量傳感器在各個(gè)溫度點(diǎn)上的輸出，從而得到一個(gè)三維曲面函數(shù)即傳感