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1、山东建筑大学毕业论文 本科毕业论文题 目：智能化扩散硅压力传感 变送器的研制院 （部）：信息与电气工程学院专 业： 电气工程与自动化班 级： 电本062姓 名： 学 号：指导教师： 完成日期： 2010年6月12日II目 录摘 要IIIABSTRACTIV1 前 言11.1 压力传感器的国内外发展现状11.2 压阻式压力传感器简介21.2.1 压阻式压力传感器的结构21.2.2 压阻式压力传感器的发展21.2.3 扩散硅压力传感器的应用31.2.4 扩散硅压力传感器的特点41.3 扩散硅压力传感器的发展趋势51.4 本课题所完成的任务62 扩散硅压力传感变送器的原理72.1 压阻式压力传感器的
2、机械原理72.2 压阻式压力传感器的工作原理83 扩散硅压力传感器的温度补偿原理93.1 对扩散硅压力传感器进行温度补偿的意义93.2 零点温度漂移及其补偿103.2.1 零点温度漂移产生的原因103.2.2 零点温度漂移的补偿103.3 灵敏度温度系数及其补偿143.3.1 灵敏度漂移产生的原因143.3.2 灵敏度漂移补偿措施143.4 零位温度系数及其补偿144 扩散硅压力变送器整体方案设计与计算174.1电源电路174.1.1 传感器供电电路174.1.2 信号处理供电电路204.2 信号处理电路214.2.1 电路工作原理224.2.2 滤波电路设计244.2.3 调零和调满电路设计
3、254.3 电压电流转换264.4 两线制输出27 4.5 整机测量与误差分析275 MPU最小系统及数据采集通信系统设计335.1 系统硬件设计335.2 系统软件设计376 总 结39谢 辞41参考文献42附 录43摘 要本文介绍了智能化扩散硅压力传感变送器的研制。智能压力传感变送器的核心部件-压力传感器是利用单晶硅的压阻效应（集压力敏感转换于一体），在单晶硅膜片上扩散一个惠斯登应变电桥。惠斯登电桥检测出电阻值的变化，经过差分归一化放大器，输出放大器放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了与输入电压成线性对应关系的420mA的标准输出
4、信号。结合低功耗高性能单片机实现被测参量误差补偿及对传感系统的远程校准及与上位机的数据通信，并使整个测量传感系统具有体积小，重量轻，测量精度高，安装方便，长期稳定度好等优点。关键词：智能化；扩散硅；压力传感器；二线制变送器；补偿 Intelligent Diffused Silicon Pressure Sensor TransmitterAbstract This paper introduces the intelligent diffused silicon pressure sensor transmitter.The core components of intelligent pr
5、essure sensor transmitter - the pressure sensor uses the piezoresistive effect of single crystal silicon (in one set of pressure-sensitive and conversion ), the silicon diaphragm strain on the proliferation of a Wheatstone bridge. Wheatstone bridge detects changes in resistance. After differential n
6、ormalized amplifier, output amplifier, and then after the conversion of voltage and current,it converts into a corresponding current signal. The current signal changes into the standard 420mA output signal which has a linear corresponding relationship with the input voltage, through a nonlinear corr
7、ection loop compensation. The output of the bridge there will be a corresponding change in the measured pressure signal output. Combination of low-power and high-performance single chip,it can realize the error compensation of measured parameters and the calibration of remote sensing system and data
8、 communication with the host computer .And it makes the whole measuring sensor system have a compact light weight，high accuracy，easy installation，and good long-term stability. Key words：Intelligent；Diffused silicon ；Pressure sensor；Two-wire- transmitter Compensation1 前 言1.1 压力传感器的国内外发展现状在工业生产过程中，温度、
9、流量、压力、位移是最常见的工业参数，其中压力参数的检测显得尤为重要，应用最为面广量大。据日本电气计测器工业协会对过程传感器(温度、流量、压力、位移、密度等)的生产和销售进行的统计，压力类传感器占整个过程传感器的三分之一，而且其比例还在继续加大，以此为基础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。它们在石油、化工、火电厂、冶金等工业部门得到了广泛的应用。在1983年，美国HoneyWell公司推出了全世界第一台智能化现场仪表ST3000-100系列，同时日本的TOSHIBA公司推出H-series智能压力传感器，研制出压阻式多功能传感器，用微处理器及软件补偿，提高了测量精度，减小了
10、温漂，并且有故障自我诊断和数字通讯遥控调整功能。1992年，美国HoneyWell公司又推出了ST3000-900系列智能压力传感器，它是在ST3000-l00系列的基础上增加了较完善的自诊断功能，双向通讯功能。在此期间美国Rosemount公司推出了HART协议(Highway Addressable Remote Transducer，寻址远程传感器数据线)，德国Bosch公司推出CAN BUS协议。同期MOTOROLA公司、FOXBIRD公司、EGGIC SENSORS公司也推出了功能类似的工业级产品，其中部分产品由当时的中国电子器材总公司引进国内，曾应用在一些重要的部门。这时，军事领域
11、开始装备智能传感器。1995年以后，智能压力传感器特别是智能差压传感器得到了较快的发展，以美国Honeywell公司为代表的西方国家不但开发了全数字技术和远程组态系统，而且推出了多种型号的现场控制系统。90年代后，我国将传感器的研究放在重要位置上并取得了显著成果，1996年，河北工业大学研制了WPS-1型智能压力传感器，它可长期稳定地工作在环境温度变化较为频繁的场所；1997年，西安交通大学电子信息工程学院综合自动化研究所为三峡工程研制了体积小于国内电流、电压输出型固态压力传感器，并且有防水、防尘和抗震能力的智能压力传感器；1999年，哈尔滨工业大学微电子教研室研制了在压力传感器芯片上集成温度
12、敏感元件制成的压力-温度多功能传感器，并赋予智能化，可实现大温度范围内的全量程压力信号的温度补偿；2003年湖南长沙索普测控技术有限公司研制的纳米压力传感器获成功，产品整体性能超过美国超微传感器，实现了传感器在高温、高压等恶劣环境下的长期稳定性和可靠性，提高了传感器精度等级、温度特性等各方面性能指标。2004年“耐高温压力传感器”经过4年攻关在西安交大研制成功，该硅隔离耐高温微型压力传感器能在-30250环境下进行压力测量，可完成1000MPa以下任意量程范围的压力测量，能承受2000瞬时高温冲击，性能指标达到国际先进水平。虽然在某些方面己赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国的传感器
13、技术的研究和生产还比较落后，与国外有较大差距；目前的传感器，无论在数量、质量和功能上，还远远不适应社会多方面发展的需要。主要是：品种不全,产量过低,工作温度范围较小,长期稳定性与可靠性较差,集成度不高。随着国内市场需求量越来越大,大量压力传感器需要进口，特别是高精度产品。1.2 压阻式压力传感器简介1.2.1 压阻式压力传感器的结构压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测
14、压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为2060。在圆形硅膜片(N型)定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条,两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。 1.2.2 压阻式压力传感器的发展硅的压阻效应是1954年由C.SSmith首先发现，1956年贝尔实验室研制出硅力敏电阻，此后压阻传感器开始问世。压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。利
15、用半导体材料的压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。目前使用最多的是单晶硅半导体。压阻压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器之一，压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料，也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使压阻式压力传感器的迟滞极小，重复性极好；硅的压阻系数较大，使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展，现在已经广泛用作高灵敏度，高精度的微型真空计，绝对压力计，流速计，流量计，声传感器，气动过程控制器等。早期的压阻式压力传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器，它的传感器元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片；20世纪70年代以后，压阻式压力传感器发展成为在硅片的应变敏感部位扩散出阻值相同的条，在压力作用于其上时，硅膜片产生应变，从而使电阻条变形输出一个与压力呈正比的线性化电压信号，称为扩散硅式压力传感器。由于四差动臂惠斯登电桥具有最高的灵敏度,最好的温度补偿性能和最高的输出线性度，因此，在压力测量中，电阻条通常连接成等臂、等电阻应变率的四差动臂惠斯登电桥
