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1、 1 绪论1.1 课题背景及研究意义 随着科学技术的不断发展，非电量的测试与控制技术已经越来越广泛的应用。尤其在航天、航海、冶金、能源、生物医学、自动检测与计量等技术领域。而且随着社会的发展，这种技术也逐步渗透到人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低是衡量科学技术现代化的重要标志之一1。传感器是实现测试与自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获和转换，计算机发展的水平再高，依旧无法进行测试和控制。任何一种传感器在制造、使用时都需要对其设计指标进行一系列实验，以确定传感器的基本性能。硅压阻式传感器是一种广泛应用于工业生产、国防建设和航天测量的基本部件。由于
2、半导体材料组成的硅压阻式传感器普遍存在着：一致性、温漂和非线性等问题，在使用过程中都要进行补偿与非线性矫正。传统的矫正方法是采用温度敏感器件与模拟电路实现。近年来，随着计算机技术日新月异的发展，对于硅压阻式传感器的矫正与补偿都采用微型计算机系统实现，这样的方法具有补偿精度高、工作稳定、体积精巧和传输方便等特点。这种方法组成的传感器信号调理电路也把传感器输出电路与变送器形成一体，即为现今的智能传感变送器。这种智能传感变送器还可以构成网络化测量系统，甚至能很方便的接入Internet网络。据光电行业开发协会(OIDA)做出的最新预测，从2003年到2006年期间，智能传感器的国际市场销售量将以每年
3、20的高速度增长2。对于传统传感器采用模拟方式对信号在模拟域进行处理，校准与补偿采用激光微调薄膜电阻、电位器等“模拟记忆”元件，温度补偿一般采用热敏电阻、二极管等温度敏感元件。所有这些方法存在以下主要缺点：1、 补偿精度受限于传感器的非线性误差和温度特性；2、 补偿器件同样受温度漂移困扰；3、 自动化调理设备价格昂贵；4、 人工调节不但精度不高，而且增加生产成本，不适合批量生产。本设计应用精密的信号调理器MAX1452的调理技术，设计开发了硅压阻式传感器的补偿与标定系统。1.2 国内外研究现状 传感器的动态校准一直是学术领域一个比较活跃的课题。近十几年来，它从原来主要应用于军事国防领域，逐渐向
4、民用领域转变，使得在这方面研究的人越来越多3。对传感器的动态校准，国外相对而言研究的时间较长，涉及的领域也更宽一些。像美国、俄罗斯、德国、印度等，都取得了较高的水平。在国内，特别是近5、6年，一些研究院所和部分大学在该领域都进行了深入的研究，取得了比较令人满意的成果。我国从60年代开始对传感技术的研究与开发，国内在高精度智能化补偿与标定系统研究领域正处于方兴未艾阶段。诸如，南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工业大学、航空部304所、合肥智能机械研究所等都在这方面作了一些具体的研究。国外近年来，传感器的信号调理技术发展很快，向着集成化、小型化、智能化和数字化方向发展。典型产品有Motoro
5、la公司生产的MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700系列单片集成硅压力传感器；美国Honeywell公司生产的ST3000系列、ST30009002000系列智能压力传感器；MAXIM公司生产的MAXl450信号调理器、MAXl452型高精度硅压阻式压力信号调理器芯片、MAXl458数字式压力信号调理器等。很多公司推出了在内部集成数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的智能信号调理芯片，可以补偿失调、失调温度漂移、灵敏度、灵敏度温度漂移和非线性等多个参数。这些芯片为开发高性能的补偿与标定系统提供了基础和条件4。国内传感器技术的制造工艺技术和专用工艺设备的落后，使传
6、感器的稳定性和可靠性问题长期得不到根本解决，限制了国产传感器的使用范围和可信程序。与国外传感器特别是高技术含量的传感器相比，国产传感器存在较大的差距。经过多年开发，虽然一批工艺和产品取得了科技成果，但是批量生产工艺和稳定性和实用性得不到很好解决。随着计算机、微电子技术的迅速发展和主泛应用，特别是在传感技术中的应用，促使传感技术产生了一个飞跃。智能传感器的出现，就是计算机、微电子等新技术与传感技术相结合的结果。随着近年来通信网络技术、嵌入式计算技术、微电子技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，使得制造大量体积小、功耗低，同时具有感知能力、计算能力和通信能力等多种功能的微型传感器成为了可能，这些传
7、感器可以感知周围的环境，并对数据进行一定的处理，同时可以通过通信部件进行相互通信。智能化传感器网络就是由许多这种传感器节点协同组织起来的5。 传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域，是信息感知和采集的一场革命，被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响6。2003年2月份的美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，智能化传感器网络被列为第一。美国商业周刊认为，智能化传感器网络是全球未来四大高技术产业之一。近几年来在美国国防部高级规划署、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下，美国科学家正在对化传感器网络所
8、涉及的各个方面进行了深入的研究。智能化传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端7。从而真正实现“无处不在的计算”理念。智能化传感器网络作为“无处不在”思想衍生的产物，可以被广泛地应用在国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域，拥有巨大的应用价值。从目前国外的研究进展来看，虽然传感器网络的应用前景十分美好，但由于仍然面临很多技术难题，还不能走向广泛应用。美
9、国很早就开始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究，在2003年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元，美国国防部在这方面的投入更为巨大。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感器及传感器网络的研究工作。 我国智能传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于八十年代中期。八十年代末中国国防科技大学、北京航空航天大学、浙江大学等大专院校相继报道了研究成果。九十年代初，国内几家研究机构采用混合集成技术成功的研制出实用的智能传感器，标志着我国智能传感器的研究
10、进入了国际行列。但是与国外的先进技术相比，我们还有较大差距，缺少先进的计算、模拟和设计方法8。但是由于传感器网络是一个新兴技术，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。1.3 课题的主要研究内容 随着国防工业的不断发展，飞机、导弹等的结构无论在外形、受力情况及边界条件等方面均变得十分复杂。因此对准确参数的测试显得越发重要。用于表面压力监测的压力传感器性能要求相对其他应用有所不同，要求尺寸小、厚度薄、灵敏度和分辨率高、故选MEMS硅微结构压阻式压力传感器。但由于半导体材料的固有特性，普遍存在着零点输出、热零点漂移、热灵敏度漂移和非线性等问题，
11、影响传感器的精确性。因此，必须采取有效措施，减少并补偿这些因素影响带来的误差，提高传感器的准确性。利用低成本精密信号调理器 MAX1452对MEMS压力传感器做数字补偿，弥补了传统模拟方式补偿精度受限于传感器误差的非线性，且补偿元件同样受温度漂移等缺点9。本设计的主要内容章节安排如下：第一章绪论，介绍了涉及课题的研究背景、意义和现状，补偿系统，以及该设计的主要任务。第二章硅压阻式传感器的硬件设计，分析了现有各种压力传感元件的优缺点，根据课题需要选用小尺寸的传感元件，并设计了相应的补偿电路，详细论述了各参数测试电路原理图。第三章详细的介绍了硅压阻式传感器补偿的软件设计，本课题采用高性能、低价格、
12、小体积的带12位ADC及32KB容量FLASH的8051内核作为微控制器进行数据采集及处理，使系统可靠性、稳定性和实时性都得到了较好的保证。 第四章介绍了传感器的校准，采用数字化信号调理技术进行传感器的零点温度漂移补偿，另外，在现有设备基础上改造研究适合于传感器的专用校准设备，设计专用的调试软件对传感器进行辅助调试。2 基于MAX1452的压力传感器硬件研究2.1 系统总体设计 基于半导体压阻效应制成的硅压力传感器在测量过程中要和被测物接触才能得到测量结果。由于被测物体的温度变化会使传感器的压阻系数产生变化，所以压阻效应原理本身会引起传感器输出的温度漂移。同时，由于制造工艺所造成的传感器电桥电
13、阻的不严格对称、桥臂电阻的漏电流以及装配应力等因素10 目前，对此类传感器的补偿方案有很多，该系统是针对集成一体化的传感器调理电路方案而设计的一套基于 MAX1452温度补偿系统，对硅压力传感器的温度漂移和非线性误差进行补偿与校正。经过试验确定好补偿和校正参数后，MAX1452补偿电路可以在规定温度范围内对传感器进行全自动补偿，以提高测量精度和效率11。 如图2.1所示系统由4部分组成：上位机、上位机与MAX1452之间的接口模块、MAX1452补偿模块以及硅压力传感器。1是被校正的传感器，2是 MAX1452补偿模块，用于对传感器进行温度补偿。3是PIC单片机，作为上位机与MAX1452之间
14、的接口模块，并且单片机通过 RS232与上位机4相连，对MAX1452发送的所有命令都由上位机的软件来控制，单片机接收上位机的命令之后对MAX1452进行操作，并将命令发送到MAX1452中。这样，上位机就可以对MAX1452进行控制和数据交换2补偿电路4上位机3接口模块1传感器 RS-232通讯图2.1 补偿系统结构图2.2 传感器2.2.1 压力传感器选型 为满足对系统设计的要求。我们对压电式、电容式、以及压阻式三种基于不同测量原理的微型压力传感器进行比较选型。（1） 压电式传感器：基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器。具有结构简单、电路简单、工作可靠的特点，但是，因自身
15、所具有的较高噪声电平，不太适合流体力学的检测应用。（2） 电容式传感器：把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。优点是空间分辨率相对较大，对压力灵敏度高，具备固有的低温度敏感性，并能做到功耗非常低。缺点在于需要具有集成电子设备用于小电容信号的放大，接口电路要安装在紧靠传感器芯片的位置，以避免杂散电容的影响，增加了电路布板的复杂性12。（3） 压阻式传感器：利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。主要优点是结构简单、输出阻抗低、线性度高、灵敏度高、输出信号是方便使用的电压，存在的主要问题是压阻材料对应力变化和温度变化都极为敏感，即温度敏感性和漂移大，但可以通过温度补偿电路予以补偿。因为压阻式压力传感器具有膜片尺寸小、灵敏度高、结构简单、系统集成性好等优点，所以系统设计选择了SMI公司生产的硅微结构压阻式压力传感器SM5420，其采用惠斯通电桥结构、硅压敏电阻技术和比例输出，应用灵活，结构简单，具有微型化、低功耗、高精度、易配微处理器等优点；采用硅硅熔接技术和高稳定性的超小压阻芯片封存于塑料壳内，用于大多数非腐蚀性气体和干燥空气的测量13。SM5420压力传
