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1、产品特写(传感器世界月刊令高精度高分辨数字石英压力传感器张天平口摘要:本文详细介绍了高精度高分辨数字石英压 力传感器的原理、结构和性 能。因为 工作 关 系,最 近接触到 美 国PAROSC IENTI FI C 仪器公司生产的数字石英压力 仪器,其全部系列产 品均采用同类型高性能的数字石英压力传感器1 1 2 ,仪器性能基本一致:精度为0 . 01%,分辨率为l x10一”,数字输出,环境加 固,低功耗,高可靠,高稳 定。下面分几 个部分对该公司专利产品数字石 英压力传感器作一详细 的介绍,以期了解其高精度和高分辨的实现途径,对 国内压力传感器研制和 生产有所裨益。因素敏感。其它类型一般也产
2、 生一个类电压输出,经A/D转换后为数字信号,这类开环压力传感器基本不 能满足高精度要求,Al j)转换进一步降低 了性 能和可靠性。闭环式或 力平衡式压力传感 器虽然减小了机械运动幅度,精度得到改善,但其 结构相对更复杂,且功耗随压力负载变化。为得到数字输出,户JD转换器或脉冲力矩 式转换技术为必 需,由此 产生各种弊端,如振动敏感性、温度敏感性、电磁干扰及 零点和 定标因子不稳定性,其 中最后项 定标因子不稳定性源于永久磁铁的不稳定性。 黝姗撇黝 撇 撇 撇撇撇撇姗I t 一、常规压力传感器与高分辨高精度压力传感器现有 压力传感 器按数字化方式,可分为内涵数字型(直接得到数字输出)和转换数
3、字型(输出经转换变为数字),后 一类压力传感器中,通常用如液柱、波登管、波纹管、膜片等压力敏感元件与如 电压 表、应变仪、电容、电导、磁 阻或光学拾取等探测技术结合。其中液柱设备大、响应时 间长、对环境地址:广东新会市西门路圭峰高科技工业村电话:0750一6 692 714/ 66 92724/66 99842一17,6 699146传真:66967 54邮编:5 29 l0 ( )主要产品:K Y B 60 0G工业压力变送器KYBw 0 9 液位传感器KY系列压力传感器KY系列压力、差压变送器独家代理:u Lc asNv oa s e nso r压 力传感器u Lc asc Sha ev
4、it z位移、角度传感器Luc ase Ldex旋转编码器和螺线管执行器一九九七年第七期令s。 、s 。Rw。R L。PROD UCT F E AT U RE内涵 数字压力传感 器由各种振动元件,如弦、带、圆柱、膜 片、薄壁膜盒和 应用 电容 电感 元件组成 的振荡器为部分谐振电路而构成。由于负载压力 诱导偏转相对 大,造成谐振 电路 重复性差、迟 滞大,并且 要求对温度进行必要的控制;另外,由于蠕变、机械应力驰豫、电路元件老 化等原 因,造成零点稳定性差,振动输出误 差大。振动弦、圆柱、膜片和膜盒压 力传感器往往只能测量绝对压力(有一参考 端面抽成真空并密 封),维持振 动 的能量由外加 电
5、磁场供给。振动弦不能承 受如何压迫 力,必须事 先 拉伸 到 能承 受最 大 负 载压 力 的 张 紧状态,由此产生蠕变 导致其零 点稳 定性差;这种传感器没有祛码平衡加速度补偿,对外力敏感。振动 圆柱传感器对 加速度不敏 感,但对电磁干扰敏感;又因为压力介质接 触驱动和拾取线 圈,对湿度 也敏感。振动膜 片和膜盒压力传感器对温度和振动敏感,经 常发生的振动系统的高频漂移造 成零点和 定标因子 的不稳定。另外,上述所有压力传感器 的品质因子Q值均小,不 大于几千,而 Q值为评价设计优点 的重要指标。经 以上 分析,我们 得出一必要 的概念:高精度 高分辨压 力传感器不能用脉 冲力矩转换或数字化
6、转换技术实现,不 能有磁铁、线圈、开关 电路和低Q振荡元件,频率稳定性不能低。英 晶体作力敏感 器 是因为 其 突出的弹 性 性能、长 期稳定性 能、容易实现振动激发性能和低的温度敏感性 能。力敏感器 的结构形式有单 梁谐振 器和双梁谐振器两种。单梁谐振器如 图1所示,在梁 的两端用低通 力学过滤器实现与 固定基片之 间的力学隔离,使单梁 能够以高频弯曲振动模式振动,且与固定基片无能量祸合,从而保证机械能无损失,振荡器有极高的Q值,传感 器具有好 的精度和稳 定性。这 里,分离弯曲模振动和出现的纵 向泵 式模振动 对设 计谐振 器的力学 结构是非常重 要的;另外,除非谐振器合理 设计、构造 固
7、定,否则谐振器中的寄生谐振 会造成非线性输出。振动梁 的谐 振 频率取 决于 它 的几何尺寸、结构和应 力负载。张紧 时频 率增加,压缩 时频率减小,力学隔离系统的谐振频率远小 于振动梁 的频率,其作用相 当于振动隔离器 或低通机械过滤器。振动梁两端的力和动量迫使隔离器 的质量振动,但由于 去祸合隔离,通过固定结构的传递可忽略。驱动梁在其 谐振频率振动 的最好 方法是通过压 电激励,图2为一特殊晶体形状对施固定裂麒刁鉴编_下 日 四.辱离夏;囚 !十”“入振动梁(含沉 积电极)图1单梁石英 晶体谐振器二、石英谐振器数字石英压力传感 器中的石英晶体谐振 器本质上是 一精度长期保持在 量级10一5
8、的精密振荡器,关键感应元件为石英 晶体振荡器梁(叉枝)。两端 固定叉枝的一级弯曲振动模式选为谐振元件,该元件能制造 成对力非常敏感,且在零负载 下保持无应 力。选取石图2压 电激励July,199 7产品特写传感器,干。令加 电场的响应,4个电极真空沉积在振动 梁上,对角 电极相连,调谐振动 电路与振动梁谐振,迫使梁作弯 曲振动。由于高值,晶体能迅速达 到谐振,使得振动激励电路和探测器非常简单,不仅功耗(仅 为毫 瓦量级)不随负载变化,而且组成 元件少,对应可靠 性高,在 不受力状态下理论平均寿命 为5 0万 小时。双梁音叉式谐振器如 图3所示,其本质上为两个音 叉在 中间衔接组成两个叉枝,两
9、个叉枝在 固定基片之 间反相位振 动。由于 两叉枝完全相 同,反作用 力和动量 相互抵消,形成高品质振荡。维持谐振的必要能量 由驱动 石 英 振 荡 器 的外部电路通过表 面 电极 供给,电极布局是作为制 造双梁谐振器的整体的光刻和化学处理过程的一部分 而完成。虽然完全相 同的双音叉保证 了谐振 器的高 品质Q,但叉枝必须极 为谨慎地固定,以确保恰当地结合,降低 固定应 力,避免来自叉枝或固定基 片结合域 的非对称负载。两 种类型的谐振器虽 然在大气 环境下即可工作,但在 真空条件下其性能有 显著 的改进,这是 因为消除了空气 负载和 阻尼效应使得品质因子高达2 0 0 00,同时通过消除表面
10、分子 的吸收和 蒸发效应 改进 了稳 定性(对如此小 的谐振器,单分子层 的沉积 也会产生不可忽视 的影响)。表面电极电激励垫图3双叉枝力敏谐振器内内部真空空. . . . . . . 舀舀 口口口 王王王于于于之人 压力输入三、压力传感器设计在石英谐振器基础上,设计 压力传感器需要考虑 的因素有:能测 量绝压、表压、差压;压力介质与谐振器 隔离,晶体工作在真空内部环境;有加速度补 偿方案,以 降低对外力 和传感器 方 向的敏 感性;对 不同压力范围容 易定标;压力一力转换器和 悬挂布局 不降低石 英谐振器 的性 能。首 先,由于石英晶体力敏感器 在尺寸和负载能力方面 受限,这种谐振器必须仔细
11、匹配压 力与受力之 间的转换机制。波纹管和波登管压力传感机理均可 用于输入 测量压力转换,使其变 为轴向力作用 于石英谐振器。通过不 同大小 的波纹管或波 登管与单叉枝或双叉枝晶体 的组 合,可 设计 出不 同压力范 围的传感 器。石英谐振器均采用真空盒密封和零压力参考点。图4为波纹管压力转换机理型传感器的结构形式。绝 压传感器 中,波纹管生成 一 向上 的力作用 于水平臂,此力大小为施加 的负载压 力与波 纹管有效面 积的乘积,在相 连于 刚性 晶体 的支点产 生一力矩,对谐振器 叉枝施 加轴 向压缩降低谐振 器频率,提供压 力大 小测 量技术。改变波纹管的大小或水 平臂支点的位置,可实现压
12、力与谐振器晶体轴 向受力之比,因而各种量程压力传感器可 经很小 的组成变化被制造。差压传感器可通 过在 另外 一个水 平臂上连接 一个波纹 管组成,使得 作用在谐振器 晶体 上的轴向力为两者之 差。图4波纹管结构压力传感器一九九七年第七期今s 。Ns。 Rw。,L。P RODUC TFEA T U RE密封盒. . . .尸一一图5波登管结构压力传感器另一 压力转换机理为单 向旋转弯曲的受限波登管谐振器,波登管试图释放受压状态,使得谐振器晶体受张 力作用,谐振频率增加(如 图5所示)。以上两种转换机理的压力传感器整体均含一温度敏感晶体,以实现热效应补偿。作为力敏谐振器 的石英材料的温度特性,相
13、 关于扬氏模量 的变化、热膨胀和压 电常数。这些相 关性最终反映在谐振频率随温度的变化或谐振器对负载压力的灵敏度变化上。温度诱导的性能变化是区分结 晶体石英 的关键,是基本不变的,也是可测量 的。补偿热(温度)效应 的最好 方法是用另 外一个温度敏 感的石 英谐振器,用独立 的电子振荡器驱 动温度谐振器,因而压力传感 器的两个频率输出分别代表压力和温度,具备了所需的全部信息。压力传感器 还含有可移动平衡质量块,使重心重合 于旋转有效中心,使压力传感器对振动、加速和冲击不敏感,实现初始零力矩和力 的调节。四、输出信号每个压力传感器有两个 频率输出,分别对应 压力和温度,压 力额定频率为 3 3k
14、 Hz(不同型号略有差别),压力满量程变化 约 1 0%。温度输出额定频率17k 2Hz,每度变化约5 0P Pm。压力输出信号与待测量压力的关系可用频率或周期表达,因信号周期可直接用简单 门计数电路测量,故用周期表达更方便。谐振器周期输出可线性化,其代数描述频 率随负载压力变化而变化,基本方程为:P=e(l一嘴z TZ)l一D(1一蜡/ TZ)(l)该方 程 由两端固定振动叉枝的基本物理原理推导得出。其中,T为压力负载P下 由计数器的 门时钟脉冲测量 的输出信号周期;C、D、0 T为定标数据确定的系数,C与灵敏度相关,D为线性化系数,0 T为零压力下的输出周期。因为仅系数C带有压力量纲,所
15、以输出压力的工程单位换算非 常方便。虽然压力传感器不敏感 于温度,但在较宽的温度范围内,传感器定标时还 是考虑 了剩余热误差补偿,即建立C、D、T。与温度的函数关系。事实上可以用温度传感器的频率输出优势,把压力传感器的系数表达为温度传感器频率的函数,不 必 由温度作中间过渡换算。这样就简化了代数关系,省略了温度定标测 量。当然,如果需要测 量压力的真实温度,其系数必须确定为温度 的函数,温度传感器输出与频 率关系为:t(。e)=Ylu+、U,+Y3U3(2)U=T(t)一T(0 )其 中,( T) t为温度t时晶体输出周期,(T 0 )为0时输出周期,单位为ms,Y为系数。压力系数C、D、T。
16、用参数U的级数表达 为:C=Cz+CZU+e3uZD=DI+DZUD T二TI+TZU+3 TUZ+4 Tu,(3)30J。)叭1997产品特写(传感器,。刊令要想得到压力读数,测量两个传感器输出周期,求解方程(1一3)即可。周期测 量和求解 可用微处理器完成。输出信号用周 期平均技术测量,该技术依靠谐振器开通高频时钟,对时钟脉冲计数。对于 一般计数器,其时钟脉冲总数的不确定度为士1个计数。时 钟脉冲 总数等于 时钟频率乘以累计 时 间(即谐振器周期平均数乘谐振器周期)。例如,对IOMHz时钟累计计数15,可得谐 振器输出频率分辨为0.I Ppm(o r一6)。压力传感器对满量程压力变化,其频率变化为o r%谐振器频率,因此仅有1 0%的计数相关于压力测量,这样应用10MHz时钟计数15时压力分辨为1.O Ppm。更高分辨可应用等效时钟频率接近G Hz的插入(分值)开关计数器改进此计数系统,分辨可达 o r一9量级。五、智
