陶瓷壓力傳感器信號獲取裝置的設(shè)計(jì)

陶瓷壓力傳感器信號獲取裝置的設(shè)計(jì)

1信號調(diào)理電路智能陶瓷壓力變送器的基本工作原理是，獨(dú)立開發(fā)的前壓傳感器裝置將外界壓力信號轉(zhuǎn)換為衰減信號。信號調(diào)理電路將補(bǔ)償信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號輸出，并起到電阻電壓轉(zhuǎn)換的作用。采集的數(shù)字電壓信號由計(jì)算機(jī)智能處理，包括非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并將處理后獲得的數(shù)字電壓信號發(fā)送給ad21電路和彩色顯示。在ad21電路中，針輸出的數(shù)字電壓信號被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的10.20ma行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。1.1雙電容傳感器設(shè)計(jì)雙電容陶瓷壓力傳感器是依據(jù)變隙式工作原理,應(yīng)用厚膜工藝制成的感壓元件,其外觀如圖2所示。基板和膜片均為陶瓷制品(其主要化學(xué)成分為Al2O3),通過厚膜絲網(wǎng)印刷工藝將鈀銀電極(Pd-Ag電極)漿料印制在基板和膜片上;利用環(huán)形低溫玻璃將陶瓷蓋板和彈性膜片電極粘接成一體,經(jīng)烘干和高溫?zé)Y(jié)便形成了一個(gè)非充液空氣介質(zhì)的電容器。由于陶瓷膜片邊緣固定在陶瓷基座上,周邊支撐,受力時(shí)中間形變大,邊緣形變小,電容量輸出具有非線性并且其靈敏度降低,為減少溫度影響和邊緣效應(yīng),設(shè)計(jì)時(shí)在陶瓷膜片上設(shè)置圓形的單電極作為公共電極,陶瓷基板上設(shè)置雙電極并使面積相等,構(gòu)成同軸環(huán)狀的雙電容傳感器。中心為測量電容Cp,邊緣環(huán)形為參考電容Cr,Cr的外側(cè)是固支邊。雙電容結(jié)構(gòu)大大減小了傳感器系統(tǒng)的非線性誤差,同時(shí)在環(huán)境溫度變化時(shí),由于兩電容感受同一溫度的變化,溫度對它們所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是一致的,這就減小了因溫度引起的測量誤差,起到了溫度自補(bǔ)償作用。1.2外圍電路ad企業(yè)設(shè)計(jì)AD7745的主要功能是完成電容-數(shù)字電壓轉(zhuǎn)化,直接將電容信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號,送入單片機(jī)處理。AD7745的外圍電路如圖3所示,CIN1(+)和CIN1(-)引腳與EXCA引腳之間分別接感壓元件的雙電容(參考電容和測量電容),采用差分方式輸入;SDA、SCL引腳為I2C總線接口輸出,輸出數(shù)字電壓信號;RDY引腳低電平有效,每個(gè)信號下降沿表明信號傳輸完畢,新數(shù)據(jù)處于可傳輸狀態(tài)。1.3市售傳感器及信號調(diào)理電路單片機(jī)采用MSP430F447,其周圍還設(shè)計(jì)了顯示模塊、鍵盤等。MSP430F447單片機(jī)作為智能處理單元,主要任務(wù)是對前端傳感器和信號調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以提高數(shù)據(jù)可靠性,并進(jìn)行非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)鹊玫嚼硐霐?shù)據(jù)。得到的理想數(shù)據(jù)交下一級輸出信號處理單元處理,同時(shí)在LCD顯示屏上顯示。1.4數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化AD421是數(shù)模轉(zhuǎn)化電路。它以串行方式的16位數(shù)字信號為輸入,經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化后以4～20mA電流輸出。系統(tǒng)中AD421外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。2系統(tǒng)程序的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),可靠性、通用性好,且易于修改擴(kuò)展。具體來說,系統(tǒng)啟動后,主程序完成各種初始化工作。系統(tǒng)的各種具體功能由如下各種中斷處理子程序構(gòu)成:鍵盤去抖子程序、冒泡排序子程序、查表子程序、液晶顯示控制子程序等。系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖5所示。在系統(tǒng)正常工作時(shí),由各鍵盤按鍵觸發(fā)中斷,系統(tǒng)判別各中斷,執(zhí)行各種具體功能。2.1可靠檢測程序鍵盤去抖子程序是為了確認(rèn)按鍵按下的可靠檢測程序。該程序的設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)可靠性的提高,在實(shí)現(xiàn)上主要通過一段時(shí)間的延遲后再次檢測按鍵的狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)。2.2計(jì)算溫度和非線性補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理子程序?qū)σ恍《螘r(shí)間內(nèi)采集到的多個(gè)數(shù)據(jù)濾除最大值和最小值,然后統(tǒng)計(jì)計(jì)算其算術(shù)平均值,并通過查表法進(jìn)行非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。因此,在數(shù)據(jù)處理子程序的編寫前,須通過實(shí)驗(yàn)獲取傳感器非線性曲線和溫度漂移曲線,以便制備查表數(shù)據(jù)。2.3取向顯示控制在該子程序中仍然有各種初始化工作,主要是初始化各種顯示控制寄存器以及設(shè)置各種信號參數(shù),例如幀信號頻率等,使LCD顯示屏與LCD控制器匹配工作。3控制裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果變送器實(shí)驗(yàn)采用活塞式壓力計(jì)作為施壓和測壓設(shè)備,采用電容測試儀作為電容測量裝置,采用高精度電流表作為輸出電流測試裝置,采用溫度實(shí)驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)溫度控制裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖6、圖7所示。圖6說明輸出電流與外加壓力有很好的線性關(guān)系,非線性誤差小,最大不超過0.42%,并且曲線中加壓、減壓的輸出-輸入正反行程曲線重合得很好,幾乎分辨不出加壓、減壓曲線印跡,遲滯誤差小于0.48%。其主要原因是前端傳感器的精確測量和后端智能單元的非線性補(bǔ)償。圖7說明傳感器零位輸出隨溫度變化曲線斜率很小,不超過2.4×10-4mA/℃.其主要原因是智能處理單元的溫度補(bǔ)償。4溫度傳播的變化利用厚膜傳感技術(shù)研制厚膜陶瓷電容壓力傳感器,在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了雙電容感壓元件,同條件下測試電容和參考電容所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是一致的,溫度