（检测技术与自动化装置专业论文）陶瓷电容式智能压力变送器.pdf

中国科学技术大学硕十学位论文 摘要 智能压力变送器作为压力信号检测和过程控制的重要装置，以其卓越的测 量精度、稳定性和可靠性得到越来越广泛的信赖与应用。鉴于压力变送器的用 途广泛、市场需求巨大和工业界对压力变送器性能的要求日益增高，研究高精 度、高稳定性和高可靠性的智能压力变送器具有重要的现实意义。 陶瓷电容式智能压力变送器以具有双电容结构、自带温度初补偿功能和较 小非线性输出的陶瓷电容式压力传感器为前端压力信息获取元件，利用先进信 号调理电路电容数字转换器a d 7 7 4 5 将陶瓷电容式压力传感器的电容输出转换 成2 4 b i t 数字信号，其电容处理范围、工作方式、转换速率可根据应用需求灵 活设置，通过微控制器m s p 4 3 0 硬件和软件相结合的方式实现信号温度补偿、 零点漂移自校正、非线性自补偿、灵敏度漂移校正、数字滤波等信号处理，使 用工业标准电流环转换电路a d 4 2 1 将微控制器m s p 4 3 0 处理结果转换为标准输 出4 - 2 0 m a ，完整地提出了一种高精度和高可靠性智能压力变送器的实现方案， 实现压力变送器信号获取和处理的模块化、数字化、智能化、自动化。本课题 重点解决信号处理电路a d 7 7 4 5 工作方式和转换方式设置问题、1 2 c 通讯协议的 实现、各补偿校正程序算法设计和程序实现问题、m s p 4 3 0 串口通讯等问题。 论文在第一章概括介绍了智能压力变送器研究的意义和价值，研究历史及 现状，各种类型压力变送器的性能对比，陶瓷电容式智能压力变送器设计思路 及重难点、创新性，陶瓷电容式压力变送器性能总结；第二章分析对比前端各 种压力传感器的性能和结构特点，确定了陶瓷电容式智能压力变送器前端压力 传感器的结构，接着介绍了陶瓷电容式压力传感器的制作过程和传感器与信号 调理电路a d 7 7 4 5 的接口；第三章介绍了变送器信号调理电路a d 7 7 4 5 的性能 和内部结构，可编程寄存器的设置方式以匹配系统的工作，a d 7 7 4 5 的1 2 c 通讯 协议；第四章介绍了微控制器m s p 4 3 0 的内部结构，编程调试工具，以及内部 信号处理如非线性补偿、零点漂移校正、灵敏度漂移校正等程序流程图和设计 思路，还涉及到时钟单元、计数器、1 2 c 模块、串口模块等硬件；第五章介绍了 a d 4 2 1 的工作特性和功能，外围电路的设计，以及智能压力变送器软硬件抗干 扰措施；第六章介绍了陶瓷电容式智能压力变送器的性能指标和测试、分析； 第七章全文总结，并提出了未来优化工作的进一步设想。 关键词：压力陶瓷电容智能变送器 中国科学技术大学硕f 。学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e r , a sak i n do fe q u i p m e n tf o rm o d e mi n d u s t r y p r e s s u r em e a s u r i n ga n dp r o c e s sc o n t r o l l i n g ，i sg e t t i n gm o r ea n dm o r er e l i a n c ea n d a p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , s t a b i l i t y ，d e p e n d e n c e i t s c r i t i c a li m p o r t a n tt or e s e a r c hm o r ea c c u r a t e ，m o r es t a b l ea n dm o r er e l i a b l ep r e s s u r e t r a n s m i t t e rb e c a u s eo fi t se x t e n s i v eu s e ，h u g em a r k e ta n dm o r eh i 【g ha n dh i g h r e q u i r e m e n tb yi n d u s t r y ， c e r a m i c c a p a c i t o rp r e s s u r ei n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e ri sc o m p o s e do ft h ei n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o nc o m p o n e n t - - c e r a m i cc a p a c i t o rp r e s s u r es e n s o rw i t hd u a lc a p a c i t y ， p r i m a r yt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na n dn o n l i n e a r i t yc o m p e n s a t i o n ，t h es i g r l a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i ta d 7 7 4 5w h i c hw a su s e dt ot r a n s l a t ec a p a c i t yi n f o r m a t i o ni n t o 2 4b i ts i g n a li n f o r m a t i o na n dc a nb es e tu pa c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s s u c ha sc a p a c i t o ri n p u tr a n g e ，o p e r a t i o nm o d e c o n v e r s i o nr a t ee t c ，m i c r oc o n t r o l l e r m s p 4 3 0w h i c hc a l lb eu s e dt o p r o v i d et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , z e r od r i f t c o m p e n s a t i o n , n o n l i n e a r i t yc o m p e n s a t i o n ，s e n s i t i v i t yd r i f tc o m p e n s a t i o n ，d i g i t a l f i l t e r i n g ，i n d u s t r ys t a n d a r dc u r r e n tl o o pc o n v e r s i o nc i r c u i ta d 4 2 1w h i c hc a l l t r a n s l a t em s p 4 3 0p r o c e s s i n go u t c o m ei n t oc u r r e n tl o o p4 - 2 0 m a t h i sp a p e rp r o p o s e ah i g hp r e c i s ea n dh i g hd e p e n d a b l ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e rd e s i g np l a n ，m a k e p r e s s u r e t r a n s m i t t e ri n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n g m o d u l a r , d i g i t a l ， i n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i c t h i st h e s i sm a i n l yr e s o l v ea d 7 7 4 5s i g n a lc o n d i t i o n i n g s e t t i n gu p ，i z c c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，k i n d so fc o m p e n s a t i o np r o g r a m s a l g o r i t h md e s i g na n dc o d i n g ，m s p 4 3 0u s a r t c o m m u n i c a t i o ne r e c h a p t e ro n ei n t r o d u c e si n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e r sr e s e a r c hm e a n i n ga n d v a l u e ，h i s t o r y a n dp r e s e n ts i t u a t i o n , c o n t r a s tk i n d so fp r e s s u r et r a n s m i t t e r p e r f o r m a n c e ，l i s tt h ee m p h a s e s ，d i f f i c u l t i e s ，i n n o v a t i o n so fi n t e l l i g e n tp r e s s u r e t r a n s m i t t e rd e s i g n ，g e n e r a l i z ec e r a m i cc a p a c i t o rp r e s s u r et r a n s m i t t e rp e r f o r m a n c e ： c h a p t e rt w oa n a l y z e sa n dc o n t r a s t sk i n d so fp r e s s u r es e n s o r sp e r f o r m a n c ea n d s t r u c t u r e ，d e t e r m i n a t e sp r e s s u r es e n s o rt y p ea n ds t r u c t u r e ，t h e ni n t r o d u c e sp r e s s u r e s e n s o r sm a n u f a c t u r ep r o c e s sa n di t si n t e r f a c ew i t ha d 7 7 4 5 ：i nc h a p t e rt h r e ew e i n t r o d u c ea d 7 7 4 5i n t e r n a ls t r u c t u r e ，i n n e rr e g i s t e ro p e r a t i o nm o d es e w i n gu p ，r c c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n dm a t c h i n gw i t ho t h e r c o m p o n e n t s i nt r a n s m i t t e r 中国科学技术大学坝 学位论文 s y s t e m ：i l lc h a p t e r4 w ei n t r o d u c en o to n l ym s p 4 3 0m i c r oc o n t r o l l e r , f l a s he m u l a t i o n t o o l ，s o f t w a r ep r o g r a mf o rs i g n a lp r o c e s s i n gs u c ha st e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , n o n l i n e a r i t yc o m p e n s a t i o n ，z e r od r i f tc o m p e n s a t i o n , s e n s i t i v i t yd r i t lc o m p e n s a t i o n a n d d i g i t a lf i l t e r i n g ，b u ta l s oi n c l u d et h eh a r d w a r ei n n e rs t r u c t u r ea n do p e r a t i o nm o d e s e t t i n gu ps u c ha sb a s i ct i m eu n i t , t i m e r , i z cu n i t ，u s a r te t c ；c h a p t e r5i n t r o d u c e a d 4 2 1 su s ei nt h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r et r a n s m i t t e ra n dm e a s u r e st os t r e n g t h e n a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t i e s ：c h a p t e r6i n t r o d u c et r a n s m i t t e rp e r f o r m a n c et e s t ，c o n t r a s t a n da n a l y s i s ；t h es e v e n t hc h a p t e r , w ec o n c l u d et h et h e s i sa n dp r o p o s ef u r t h e r o p t i m i z i n gr e s e a r c hp l a n k e yw o r d s ：p r e s s u r e c e r a m i cc a p a c i t o r i n t e l l i g e n t t r a n s m i t t e r i u 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：盔逍作者签名：二左躞 刎年f 月z 日 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章智能压力变送器概述 在当今信息化的发展过程中，用于信息感知、采集、监控、控制的功能器 件一传感器，包括智能变送器或智能传感器，已经成为各个应用领域中不可 缺少的重要技术工具。【1 】特别是近年来，由于科学技术、经济发展及生态平衡 的需要，传感器在各个领域中的作用也日益显著。【2 1 目前传感器的应用遍及军 事、科研、工业、农业、商业、交通、环保、医疗、卫生、气象、海洋、航天、 家用电器各个领域与部门，是自动控制、科学测试、计量核算、监测诊断 等系统中不可缺少的基础环节。自上个世纪8 0 年代以来国际上便出现了“传感 器热”。日本把传感器技术列为8 0 年代十大技术之首，美国把传感器技术列为 9 0 年代2 2 项关键技术之一，英国传感器销售额1 9 9 0 年比1 9 8 0 年增长2 4 倍。 1 3 1 而智能变送器或智能传感器作为传统传感器的发展与改进是国际上正在飞速 发展的一项综合性高新科技，它对人类社会产生重要而深远的意义，研究智能 变送器或智能传感器具有较大的市场价值和社会意义。 智能变送器或智能传感器是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的 传感器，其主要特征就是将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能 有机地融合在一起。【4 捌它是传感器技术、电子技术、计算机技术和通信技术 的结合，涉及经典或现代的传感器技术、信号分析与处理、电路与系统、通信 与接口、计算机软件设计等多学科，是跨学科的综合技术。智能变送器或传感 器代表了传感器的发展方向，是应现代自动化系统发展的需要而提出来的，是 传感技术克服自身落后向前发展的必然趋势。【3 】将陶瓷电容式压力传感器与先 进的信号处理电路电容一数字转换器a d 7 7 4 5 相连，外界压力信号变化时陶瓷 电容式压力传感器的输出电容信号也会相应变化，经a d 7 7 4 5 处理后生成对应 变化的电容数字信号；同时a d 7 7 4 5 自带温度传感器，可以感受外界温度信号， 经转换可以输出对应的温度数字信号。将两种数字信号采集到超低功耗微控制 器m s p 4 3 0 内，经过零点漂移校正、温度补偿、非线性补偿、灵敏度校正、数 字滤波处理后，将信号处理结果经串口发送a d 4 2 1 ，转换成工业标准电流环输 出，从而实现压力信号获取、转化、处理的自动化和智能化。 一般来说。对于输出标准化的传感器系统称之为“变送器”，它有如下的严格的规范值：输出零 位值y o = 4 m a ：输出上限值y m a x = 2 0i l i a ；量程y ( f s ) = 1 6m a 0 1 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 智能压力变送器研究的意义及价值 压力变送器或传感器是直接与被测介质相接触的现场仪表，常常在高温、 低温、腐蚀、振动、冲击等环境中工作。压力变送器或传感器可以直接、间接 地测量多种物理量，在石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业中常用来测量压 力、液位、流量、位移等参数及进行现场控制。鉴于压力变送器或压力传感器 的用途广泛，广阔的市场与强烈的社会需求是压力变送器或压力传感器技术发 展的强劲推动力，因而一直是研究的热点，得到了广泛的关注。据美国a r c 咨 询集团的压力变送器世界调查报告指出，2 0 0 2 年压力变送器市场销售额为1 2 7 4 亿美元，2 0 0 7 年达n 1 4 7 1 亿美元，全世界压力变送器市场在今后5 年中可期望以 2 9 的综合年增长率增长。智能变送器卓越的测量精度和可靠性已经成为影响 压力变送器需求持续增长的重要因素之一【6 l 研究与优化智能压力变送器具有 广阔的市场价值和经济效益。 1 2 压力变送器研究的历史及现状 纵观压力变送器历史，其发展大体经历了四个阶段： 1 2 0 世纪5 0 年代之前，压力变送器采用大位移式工作原理，如曾经大量生产的 水银浮子式差压计及膜盒式差压变送器，这些变送器精度低且笨重。 2 5 0 代有了精度稍高的力平衡式差压变送器，但反馈力小，结构复杂，可靠 性、稳定性和抗振性均较差。 3 7 0 年代中期，随着新工艺、新材料、新技术的出现，尤其是电子技术的迅猛 发展，出现体积小巧，结构简单的位移式变送器。 4 踟年代中后期科学技术迅猛发展，特别是电子技术、计算机技术的高速发展 以及微电子机械技术的出现，使智能压力变送器越做越小，功能也越来越强， 正向微型化、高精度、智能化、数字化方向快速发展，是未来变送器的发展趋 势所在。现代智能压力变送器发展至今已有多种类型，现简要如下： 扩散硅压力变送器。1 9 8 3 年美 雪h o n e y w e l l 公司率先推出了智能化的压力 变送器s t - 3 0 0 0 ，标志着对传统现场仪表的一次深刻变革，并为工业自动化仪表 及其系统应用向更高层次的发展奠定了基础。其前端压力信号获取元件的工作 原理如图1 1 所示。 压力通过隔离膜片、密封硅油传输到扩散硅膜片上、同时参考端的压力( 大 气压) 作用于膜片的另一端。这样膜片两边的压差产生一个压力场，使膜片的 2 中国科学技术大学硕士学位论文 一部分压缩，另一部分拉伸，在压缩区和拉伸区分别由两个应变电阻片，以感 受压力引起的阻值的变化，从而将压力信号转换为电信号。i q2 0 世纪9 0 年代中 蜜考端压力 i l i i i 注：1 应变电阻2 硅膜片3 膈离膜片4 - 硅油 图1 1 扩散硅压力变送器示意图 期，美国i c s e n s o r s 公司、n o v a 公司应用硅精蚀和硅晶片叠合两项尖端科技生产 了新型扩散硅压力传感器并开发出具有精度高，重复性小，抗腐蚀的扩散硅压 力变送器。现在扩散硅压力变送器领域还比较有竞争力的产品有美国f o x b o r o 公司的8 4 0 8 6 0 系列压力变送器和德国s i e m e n s 公司的扩散硅式t m f 系列压力 变送器。 陶瓷厚膜压力变送器。陶瓷厚膜式压力变送器是利用了陶瓷厚膜电阻的 力敏效应。利用陶瓷膜片作为感压的弹性元件，印刷和烧结在陶瓷膜片上的厚 膜电阻为敏感电阻，并经过精密的补偿技术、调阻技术、信号处理技术的处理， 将压力信号直接转换成标准的电流信号，并接入工业仪表或计算机控制系统， 实现生产过程的自动检测和控制。1 8 】陶瓷厚膜压力变送器主要是由陶瓷厚膜压 力传感器和微处理器两部分组成，传感器用来测量压力变化。当压力作用于传 感器时，引起传感器的电阻值变化，传感器芯片上的电桥电路检测出点信号并 由a d 转换器转换成数字信号送至微处理器。微处理器是信号处理的核心部件， 具有线性运算、校正、故障诊断和通信功能。传感器数据存储器能够存储修正 系数，微处理器利用存储器中的数据信息，经计算处理，产生一个高精度的特 性优异的输出。这种变送器的陶瓷膜片在生产工艺过程中可直接接触各种介质 包括腐蚀性和非腐蚀性的气体、液体，无需进行复杂的隔离技术，因此价格低 廉。压力变送器的弹性体为物化性能极为稳定的高铝瓷( a i z 0 3 ) 制作，长期工 作无蠕变和塑性变形，线性度、滞后性能明显优于其他类型压力变送器。 电容薄膜式压力变送器。电容薄膜式绝对压力变送器自8 0 年代诞生至今 有2 0 多年历史，由于它的精度高，耐腐蚀，耐污染，稳定性好，是国内外公认 的检测低真空压力的理想仪表。美国的m k s 公司是全球生产电容薄膜式压力变 3 中国科学技术大学硕士学位论文 送器的主要生产厂家，至目前为止，它的年销售额已达上亿美元，涉及民用工 业的各个领域，并在航天工业、核工业等军事工业中发挥着独特的作用。【9 】这 种压力变送器是利用弹性薄膜在压差作用下产生压变引起电容变换的原理制 成，它是由检测部分和转换电路组成，如图1 2 所示。检测部分有真空腔及检测 腔两个腔体。真空腔为全密封结构，经质谱检漏仪检漏合格后，通过长时间排 气，最后将排气管密封而形成，并备有消气剂，消除残余气体，长期保持高真 空。固定极板位于真空腔中，由极板引出线至腔外。检测膜片置于高真空的真 空腔及连接低真空待测系统的检测腔之间，检测膜片为可动极板，其与固定极 板形成一个平板电容器，有一定的电容值。被测的低真空压力通过检测孔进入 检测腔，检测膜片产生挠曲，改变了其与固定极板的距离，电容值也随之改变 不同的低真空压力值决定不同的电容值。最后电容信号被输送到电路转换部分， 电路转换部分将电容信号通过变换、整理、放大等环节，输出一个标准电压或 电流信号。这个标准电信号是从电容信号而来，它与真空压力成正比。 ， 注：1 消气剂2 真空腔3 极板引出线4 排气管5 周定极板6 检测膜片7 。检测孔 图1 2 电容薄膜压力变送器示意图 陶瓷电容压力变送器。陶瓷电容压力变送器采用无中介液的干式陶瓷电 容传感器，从而获得很高的技术性能。市场上以德国e + h 公司和美国k a v l i e o 公 司产品为主。【l o l 陶瓷电容压力变送器的工作原理与其他电容式的变送器不同， 介质压力直接作用于陶瓷膜片，使测量膜片产生偏移，减小电极间距离，从而 改变电容值。膜片位移产生的电容变化量与输入压力成一定的变化关系，经电 子部件检测、放大并输出。1 6 】 在压力变送器领域比较知名的r o s e m o u n t 公司1 1 5 1 和3 0 5 1 系列变送器、日本 f u j i 公司的f c x 系列d p t 和英国m o o r e 公司x t c 系列d 胛等，这些产品都是采 用的电容结构。 此外，日本y o k o g a w a 公司以单晶硅谐振式传感器为主的f a a 系列d f r 、 4 中国科学技术大学硕士学位论文 法国e l s a g b a i l e y 公司电感式p t s 系列d p t 、英i 雪a b bk t - t a y l o r 公司浮动双电感 传感器6 0 0 t 系列d p t 也因较好的质量拥有良好的口碑。 搓力你硐宙禽 注：1 ，2 电极3 引脚4 胸瓷基座5 玻璃6 陶瓷膜片 图1 3 陶瓷电容传感器示意图 由于我国现代工业技术的底子薄，起步晚，基础相对落后，高性能智能压 力变送器一直为国外所垄断。国内大多数企业的智能压力变送器大多采取了引 进技术或合资组装生产为主的方式。如西安仪表厂、北京远东仪表厂、上海自 动化仪表一厂都曾引进美国r o s e m o u n t 公司产品部件，经二次开发组装制造智能 压力变送器。9 0 年代中期四川仪表七厂与i 习y o k o g a w a 合资生产日a 系列智能压 力变送器，也是在这个时期哈尔滨工业大学购买美国k a v l i c o 公司的陶瓷电容式 传感器，并进行后续的开发，设计生产出p m t l 2 0 压力变送器，大量投入到石油、 化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量及现场控制。 1 3 智能压力变送器总体设计思路与研究重点 鉴于陶瓷电容式压力变送器的广阔应用范围和巨大市场价值和核心技术的 国外垄断，本课题得到了安徽省科技攻关计划项目的支持，在实验室前人工作 的基础上，参考国内外各种智能变送器的论著和专利，研制了一种基于m s p 4 3 0 和陶瓷电容式压力传感器的智能变送器。 智能压力变送器的种类多样，其所涉及的领域也是跨学科的，既有器件物 理结构和原理也有化学材料宏观特性，既有制造工艺也有封装技术，既有电路 设计也有软件代码，知识涵盖面广而且技术更新不断，较有难度。智能型压力 变送器在设计时如图1 4 所示，以电子电路为基础，前端为电容数字转换器 a d 7 7 4 5 ，后端设计工业电流环转换电路a d 4 2 1 ，而智能型压力变送器较传统仪 表的优势在于引入了微处理器，这样就可以通过软件编程来实现和优化传感器 5 中国科学技术大学颀十学位沦文 的许多功能。本课题着重研究的是如何通过传感器获取压力信号，并利用信号 处理电路、微控制器软硬件转化、修正、处理压力信号等，从而实现测量的自 动化和智能化。l 研究的智能型压力变送器的基本结构如图1 4 所示： “m 襞劈i 淼f - 电嚆嚣器 - 馓控m s p 制器4 3 0l1 工业怒薯转换1 4 。掣 1 ji ，_ ji _ j1 j 幽i 4 智能压力变送器幺上构框幽 研究的主要内容包括： 1 比较压电式压力传感器、电感式压力传感器、扩散硅式压力传感器、金属 应变式压力传感器等特点、优点和缺点，合理选择传感器结构。 2 研究陶瓷电容式传感器的结构和传感器的压力一电容特性并绘制曲线。 3 研究信号调理方案的设计。作为硬件电路的总体设计，要考虑到整个电路 的功耗要求、供电方式以及抗干扰措施。重点研究信号调理方案设计的精度、 功耗、功能、灵活性等，从而提高系统各项性能和灵活性。 4 研究电容数字转换器a d 7 7 4 5 的内部结构和工作原理，研究1 2 c 通讯协议， 研究a d 7 7 4 5 内部各可编程寄存器的设置和使用。 5 分析对比各种微控制器的结构特点和性能优点，从而确定系统微控制器的 选用。 6 研究超低功耗微处理器m s p 4 3 0 的外部端口、各工作方式的切换和处理、 1 2 c 模块的硬件结构和a d 7 7 4 5 的接口设计。 7 研究m s p 4 3 0 的丌发方法和丌发平台，以及智能变送器的软件模块程序 设计方案，包括1 2 c 通讯协议的程序实现、非线性校正算法、零点漂移和灵敏 度漂移补偿算法即调零、调满以及辅助外围按键电路设计。数据处理模块是单 片机信号处理的核心，是研究的重中之重。 8 输出信号转换a d 4 2 1 电路的设计，以及单片机m s p 4 3 0 串口与a d 4 2 1 的通讯设置和程序编写。 9 系统的硬件抗干扰措施和软件抗干扰措施。 1 4陶瓷电容式智能压力变送器设计方案的创新性 本课题设计方案与其他智能型压力变送器的设计方案相比，具有如下的先 进性和创新性： 1 精心计算各物理参数，优化制造工艺，以制造出各种电容范围输出的陶 瓷电容式压力传感器以匹配不同的压力测量量程。此外，由单一敏感元件与单 6 巾国 ： 学技术大学硕十学位沦文 一变换器组成传感器，其输入一输出特性一般均有较严重的非线性，由于采用 了双电容结构即对称结构与差动电路相结合的差动技术达到了消除零位值、减 小非线性、提高灵敏度、抵消共模误差干扰的效果。 2 采用美国a d i 公司推出的业界首个精密电容测量单片解决方案 a d 7 7 4 5 。它是一种高性能的乐型电容一数字转换器，可直接连接电容传感器 的电容进行测量，将先进的信号处理技术和高度集成组合起来，可以达到通常采 用a d c 和大量分立元件才能达到的精确度；传统的电容传感器信号处理解决方 案要么就只限于低精度的应用，要么就需要昂贵的多芯片电容电压前端。a d i 公司的c d c 能够提供业界最高精度( 2 4 b i t 分辨率) 、低噪声、低功耗( 1 m a 最大值) 的解决方案，并且提供完整的片内模拟功能，同时降低了外部元件成 本，提高了系统的抗干扰能力，从而根除了传统电容传感器的限制，再加上总 线接口，使其非常适合于要求功耗和印制电路板( p c b ) 面积较小的工业过程 控制仪表一智能压力变送器：由于工业应用会对不同环境下的压力变送器有不 同的压力输入范围要求，则不同的压力输入范围的变送器在设计时候，其f j 端 压力传感器的物理参数就应该不同如直径等，输出结果电容值就不同，但采用 灵活的电路参数可编程的a d 7 7 4 5 ，则可对不同前端传感器进行信号调理工作， 有效的增强的系统灵活性，降低了调变系统的负担，节约了制造成本。 i z l 3 利用数字脉冲信号触发m s p 4 3 0 内部定时器的各捕获寄存器，触发中断， 使得m s p 4 3 0 响应外部事件，对内部灵敏度系数和零点设置值灵活修正，以达 到灵敏度校j 下、零点漂移校萨、调零调满的目的。 1 5 陶瓷电容式智能压力变送器的研究难点 智能压力变送器的是跨学科，跨领域的系统产品，其研发要综合考虑器件 物理、化学材料、电子电路、软件程序、封装技术。甚至是制造工艺，具有一 定的难度。设计采用系统级模块设计，着重考虑各模块的接口和匹配；模块内 部的实现考虑输出输入特性实现和系统性能优化等内容。在实现时主要难点如 下： 1 陶瓷电容式压力传感器的输出电容较小，给后端信号调理电路带来了挑 战，如何设计合理的信号调理电路来确保系统的精度、稳定性和灵活性； 2 a d 7 7 4 5 内部各寄存器的参数设置，与匹配不同量程的传感器的工作； 3 1 2 c 通讯协议的单片机软件实现： 4 欺件部分最核心的在于信号处理非线性补偿、温度补偿、零点调整和灵敏 叶1 国 ： 学技术大学硕十学协论文 度调整等各功能的实现方式： 5 设计增强系统的抗干扰能力和稳定性。 1 - 6 陶瓷电容式智能压力变送器的性能特点 智能传感器引进了智能模块和软件程序，增添或扩充了传统传感器所不具 有的特征或功能，性能得到了大幅度提高： i 高分辨力。由于智能压力交送器的设计和研发引入了带温度检测模 a d 7 7 4 5 ，在软件程序中对电容( 压力) 检测进行了温度补偿，消除了多参数状 态下交叉灵敏度的影响，保证了在多参数状态下对压力参数测量的分辨能力， 具有较高的分辨力和精度。 2 高线性度。智能压力变送器的非线性补偿程序利用反非线性曲线对翦端电 路的输出进行了非线性校一，降低了系统误差，提高了变送器的系统精度和性 能。这种灵活的非线性校萨处理方式，是传统传感器、传统变送器所无法达到 的。 3 高可靠性。在变送器系统的长期使用中，因工作条件与环境参数的变化， 系统会发生各种漂移现象，比如零点漂移和灵敏度漂移，为了稳定数据输出， 提高测量准确度，设计使用灵敏度校萨，零点校正、调零调满程序对系统的 漂移误差进行修诈，保证系统使用的长期可靠性和测量精度。此外，还在变送 器系统设计中完成了对异常情况的应急处理功能( 报警提示) 。多项功能的并用最 大程度的保证了智能传感器的高可靠性与高稳定性。 4 高信噪比。由于系统具有数据处理功能，可以通过软件进行数字滤波、从 而去除或者说最大程度地去除前端信息获取和信息处理中的噪声，将有用信号 提取出来，提高了信噪比和精度。 5 商精度。鉴于以上各种措施的设计和使用，变送器系统在强大硬件功能和 软件功能的配合下具有了较高的测量精度，各项静态性能指标良好显示了 智能压力变送器的优越性。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章陶瓷电容式压力传感器的设计和制造 随着现代信息技术的发展，各种电路与系统，计算机硬件和软件，信号分 析与处理，通讯与接口知识的不断进步，智能变送器或智能传感器系统的性能 得到了不断的提高。而作为智能变送器的最前端一一信号获取元件，即传感器 也就显得格外重要：传感器是各种测量装置的首要环节；如果没有传感器对原 始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数 据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没 有精确可靠的仪器仪表，检测系统，甚至控制系统。现代电子技术和电子计算 机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，使检测与控制技术发展到崭新阶 段。但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测各原始数据并提供真实的信息， 那么，后续的所有电路或程序也无法发挥其应有的作用。“” 在对比目前各种压力传感器即压电式、电阻式、电感式、电容式等基础上 根据各种压力传感器的特点和优点综合确定前端信号获取元件的工作原理和结 构电容式压力传感器；拟采用的双电容式优化结构有助于解决温度自补偿 和提高测量精度；采用先进的陶瓷和陶瓷密封材料和厚膜传感工艺等制成的压 力传感器，其自身工作发热量微、适应性强、抗高压和高冲击能力强、灵敏度 和分辨率离、动态响应好、重复性好、结构简洁、成本易于控制、封装后不占 用过多空间等优点，具有广泛的使用价值。经测试数据证明，传感器输出电容 范围在几个皮法到几十个皮法范围之内，并且输入一输出曲线具有较好的精度、 线性度和迟滞性，为后端信号处理提供了精确可靠的原始数据。“u ” 2 1压力传感器的结构选型 压力传感器作为前端信号获取元件。其性能与质量在很大程度上影响着智 能变送器的性能与质量。目前的压力传感器，根据其工作原理可分为压电式压 力传感器、金属应变片式压阻传感器、半导体压阻式传感器、电感式压力传感 器、振弦式压力传感器、电容式压力传感器等多种。设计好感压元件的首要前 提是熟悉了解不同类型压力传感器的设计原理和制造工艺，详细对比各种类型 设计方案的性能优缺点，综合做出决定：设计压力传感器的类型，结构，参数， 工艺等。现将不同类型的压力传感器特点对比如下： 9 中国科学技术大学硕士学位论文 2 1 1压电式压力传感器 利用某些电介质物质( 如石英、钛酸钡) 在受拉力、压力而变形时，内部会 产生极化现象，在其表面产生电荷，所产生的电荷与受拉力、压力成正比。当 外力去掉后，材料又重新回到不带电状态这种将机械能转变为电能的现象称 为顺压电效应相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形这 种将电能转换为机械能的现象称为“逆压电效应”。 以膜片式压电传感器为例，压电式压力传感器是利用压力p 作用在膜片上时， 将在压电元件的上下表面产生电荷，电荷量与作用力f 成正比即 o = k f ( 2 - 1 ) 由式( 2 1 ) 可知，对于选定结构的传感器，输出电荷量( 或电压) 与输入压力成 正比，一般压电式压力传感器的输出线性度较好。再将传感器的输出电信号取 出，经信号调理电路即可测量出压力的大小 压电式压力传感器的灵敏度较高，力学稳定性较好，反应速度快，抗冲击， 抗过压能力强，输出阻抗高，动态范围也很宽，能测量低至1 0 0 p a 的低压，高 至1 0 0 m p a 的高压。它的频响特性也很好，能测量准静态的压力和高频变化的 动态压力。它具有结构坚实、体积小、重量轻、使用寿命长等优点虽有高的 频响，但不能测量频率太低的压力，特别是不能测量静态压力。1 1 4 】 2 1 2金属应变片式压阻传感器 金属应变片式压力传感器将合金材料或者硅材料制成的电阻应变片，用粘 结剂粘附在基底或应变梁或膜片上，当试件受力变形时，应变片也随同变形， 引起应变片电阻值变化，再通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。对 于金属应变片来说，金属电阻的相对变化与金属的伸长和缩短之间存在比例关 系，即： 丛。砌生。o n s r1 ( 2 2 ) 其中比例系数k m 为金属片的应变灵敏系数，其物理意义为单位应变引起的电 阻相对变化。 应变式传感器具有如下特点：精度高，测量范围广；频率响应特性较好； 结构简单，尺寸小，质量轻；易于实现小型化、微型化；价格低廉；可在低温、 高温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 工作。但是，应变式传感器也存在一定缺点：在大应变状态中具有明显的非线 性，半导体应变式传感器的非线性则更为严重；重复性差，滞后、蠕变严重； 抗冲击、过压能力差；应变式传感器输出信号微弱，故它的抗干扰能力较差， 因此信号线需要采取屏蔽措施：应变式传感器测出的只是一点或应变栅范围内 的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；传感器采用应变胶粘贴， 易受温度、湿度等环境影响，并随时间老化，产生零点漂移，迟滞增大等。【l 别 2 1 3半导体压阻式传感器 利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度极高、 动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等优点。i 捌半导体压阻式传感器有 两种：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片；另一种是在半导 体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，用它做传感器元件，称 为固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器。对于这两种压阻式传感器来 说，均有电阻变化率满足： 丛。晒g r ( 2 3 ) 一般对于半导体来说灵敏度系数i ( s 介于5 0 到1 0 0 之间；而对于金属来说k m 范围在1 2 内，即半导体压阻式传感器的灵敏系数i ( s 要比金属应变片的灵敏系 数k m 大5 0 一1 0 0 倍，这说明压阻式传感器的灵敏度极高。压阻式传感器除灵 敏度高外，还具有如下的特点：分辨力高，如压阻式传感器测量压力时，1 - 2 r a m h 2 0 的微压也能反应；频率响应高。由于扩散型压力传感器是用集成电路工艺 制成的，测量压力时，有效面积可做得很小，有时可做到有效面积的直径仅有 零点几毫米，这种传感器可用来测量几十千赫的脉动压力，所以频率响应很高。 和金属应变片式压阻传感器一样，鉴于其结构工艺原因，半导体压阻式传 感器线性度、重复性不好，滞后、蠕变依然存在，反应速度慢，抗过压、冲击 能力差。1 1 6 l 2 1 4电感式压力传感器 利用电磁感应原理将被测压力转换成线圈自感系数l 或互感系数m 的变 化，再将测量电路转换成电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感 器。电感式传感器种类很多，主要有自感式、互感式和电涡流式三种。电感式 中国科学技术大学硕士学位论文 传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点稳定、输出功率大等一系 列优点，其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率 响应低，不适用于快速动态测量。【1 7 1 2 1 5电容式压力传感器 电容式传感器是将被测量的交化转换成电容量变化的一种元件，实质上就 是一个具有可变参数的电容器。 1 s l 例如电容式压力传感器就是因待测压力交换 其内部结构参数变化，导致电容变化的感压元件。以最简单的平板电容器为例， 当忽略边缘效应影响时，平板电容器的电容量是两电极相互覆盖面积、极板间 距、极板间电介质介电常数的函数，用数学表达式表示为： c ! ：! ! 兰 d ( 2 4 ) 其中c 为电容量，西为介质的相对介电常数，e o 为真空介电常数8 8 5 x 1 0 1 2 f m ， a 为极板有效面积，d 为两平行极板间的距离。 由上式可以看出，电容式压力传感器根据工作原理可以分为变面积型、变 极距型和变介电常数型。如果按照位移的形式可以分为线位移和角位移两种。 如果按照极板形状可分为平板型、圆板型、圆柱型、圆筒型。虽还有球面型或 者锯齿型，但是一般都很少用。 电容式压力传感器是继压阻式压力传感器之后发展起来的，它将被测参数 换成电容量的测量元件。它与电阻式、电感式传感器相比具有如下的优点： 1 温度稳定性好。电容传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于 电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小因此只要从强度、温度系数等机械 特性考虑，合理选择材料和结构尺寸即可，其他因素( 因本身发热极小) 影响甚微。 而电阻式传感器有电阻，供电后产生热量；电感式传感器存在钢损、磁游和涡 流损耗等，引起本身发热产生零漂。 2 结构简单、适应性强、可测量高压力或脉动高压力，同时具有较高的 抗干扰能力