压力传感器调理电路的设计(31页).doc

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1、- 天 津 大 学毕业设计（论文）题目：压力传感器信号调理电路的设计学 院 电气与自动化工程学院 专 业 电气自动化技术 学生姓名 汪文腾 学生学号 4009203024 指导教师 陈曦 提交日期 2012年 6月 2日 -第 27 页-摘 要 随着微电子工业的迅速发展，压力传感器广泛的应用于我们的日常生活中，为了使同学们对压力传感器有较深入的理解。经过综合的解析选择了由实际中的应用作为研究项目，本文通过介绍一种基于压力传感器实现的实际电路搭建的设计方法，该控制器以压力传感器为核心，通过具备运放来实现放大电路等功能。 另外，使用运放的压力传感器再实际电路搭建中被广泛应用。通过对模型的设计可以非

2、常好的延伸到具体的应用案例中。关键词：压力传感器；运放；电路；目 录第一章 绪论11.1器械基本组成及制作工艺11.2压力传感器31.2.1压力传感器的原理31.3通过运放实现的放大电路的压力传感器41.3.1三运放差分放大电路41.3.2 UA741运放型号的介绍51.3.3运算放大器在实际中的应用5第二章 电路仿真62.1 EWB简介62.2 EWB5.0的基本功能62.2.1建立电路原理图方便快捷62.2.2用虚拟仪器仪表测试电路性能参数及波形准确直观62.3实际电路的搭建流程72.4实际电路在EWB上的波形图11第三章 实际电路的搭建213.1实际实验电路的搭建21第四章 误差分析24

3、4.1误差分析24第五章 总结与展望245.1总结245.2展望25致 谢26参考文献27第一章 绪论传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量(一般为电量)的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需外加辅助电源。制造压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。压力传感器所用的元件材料是具有压阻效应的单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅。根据晶体不受定向应力时，电导率是同性的，只有受定向应力时才表现出各向异性，由于应力能引起能带的变化，能谷能量，导致电阻

4、率的变化，于是就有电阻的变化，从而产生压阻效应。单晶硅效应包括n型和p型硅压阻效应。选用扩散硅目的在于在设计制造压力传感器时可根据不同温度下硅扩散层的压阻特性选择合适的扩散条件，力求使压力传感器具有良好的性能。多晶硅在传感器中有广泛的用途，可作为微结构和填充材料、敏感材料。压力传感器按用途分类主要是压力监视、压力测量和压力控制及转换成其他量的测量。按供电方式分为压阻型和压电型传感器，前者是被动供电的，需要有外电源。后者是传感器自身产生电荷，不需要外加电源，根据不同领域对压力测量的精度不同分为低精度和高精度的压力传感器。1压力传感压器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件

5、为主，以弹性元件的形变指示力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS 技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。高温压力传感器是为了解决在高温环境下对各种气体、液体的压力进行测量。主要用于测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、井下压力和各种发动机腔体内的压力、高温油品液位与检测、油井测压等领域。目前，研究比较多的高温压力传感器主要有 ， Poly2Si 等半导体传感器，还有溅射合金薄膜高温压力传感器、高温光纤压力传感器和高温电容式压力传感器等。半导体电容

6、式压力传感器相比压阻式压力传感器其灵敏度高、温度稳定性好、功耗小，且只对压力敏感，对应力不敏感，因此，电容式压力传感器在许多领域得到广泛应用。1.1器械基本组成及制作工艺硅电容式压力传感器的敏感元件是半导体薄膜，它可以由单晶硅、多晶硅等利用半导体工艺制作而成。典型的电容式传感器由上下电极、绝缘体和衬底构成。当薄膜受压力作用时，薄膜会发生一定的变形，因此，上下电极之间的距离发生一定的变化，从而使电容发生变化。但电容式压力传感器的电容与上下电极之间的距离的关系是非线性关系，因此，要用具有补偿功能的测量电路对输出电容进行非线性补偿。由于高温压力传感器工作在高温环境下，补偿电路会受到环境温度的影响，从

7、而产生较大的误差。基于模型识别的高温压力传感器，正是为了避免补偿电路在高温环境下工作产生较大误差而设计的，其设计方案是把传感器件与放大电路分离，通过模型识别来得到所测环境的压力。高温工作区温度可达350 。传感器件由铂电阻和电容式压力传感器构成。其MEMS 工艺如下：高温压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成。其中下电极位于厚支撑的衬底上。电极上蒸镀一层绝缘层。硅膜片则是利用各向异性腐蚀技术，在一片硅片上从正反面腐蚀形成的。上下电极的间隙由硅片的腐蚀深度决定。硅膜片和衬底利用键合技术键合在一起，形成具有一定稳定性的硅膜片电容压力传感器2 。由于铂电阻耐高温，且对温度敏感，选用铂电阻，既可

8、以当普通电阻使用，又可以作为温度传感器用以探测被测环境的温度。金属铂电阻和硅膜片的参数为：0 时铂电阻值为1 000;电阻率为1. 052 631 6 10 - 5cm;密度为21 440 kg/ m3 ;比热为132. 51 J/ (kgK) 、熔断温度为1 769 ，故铂电阻可加工为宽度为0. 02 mm;厚度为0. 2m;总长度为3 800m，制作成锯齿状，可在幅值为10 V 的阶跃信号下正常工作。电容式压力传感器的上下电极的间隙为3m、圆形平板电容上下电极的半径为73m、其电容值为50 pF。具体工艺流程图如图1所示。2图1-1 MEMS 工艺流程1.2压力传感器压力变送器在测试的时候

9、也有很多的因素影响，首先是被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片和两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成和压力成正比的信号。111.2.1压力传感器的原理随着我国国民经济的快速发展，压力传感器成为工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器最主要的是利用压力效应制造而成的，这样的传感器也成为压力传感器。科学家根据晶体是各向异性的，非晶

10、体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；而当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。这个效应研制出了压力传感器。压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英，酒石酸钾钠和硝酸二氢铵。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电

11、灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以 已经得到了广泛的应用。压力传感器原理在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻

12、、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压力传感器原理压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式

13、传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。41.3通过运放实现的放大电路的压力传感器1.3.1三运放差分放大电路如图所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。放大器的第I级主要用来提高整个放大电 路的输入阻抗。第II级采用差动电路用以提高共模抑制比。 图1-2 三运放差分放大电路电路中输入级由A3、A4两个同相输入运算放大器电路并联，再与A5差分输入串联的三运放差动放大电路构成，其中A1、A2是增加电路的输入阻抗。电路优 点：差模信号按差模增益放大，远高于共模成分（噪声）；决定增益的电阻（R1、Rp、R3）理论上对共模抑制

14、比Kcmr没有影响，因此电阻的误差不重要。三运放差分放大电路特点：1)高输入阻抗。被提取的信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。 一般情况下，信号源的内阻为100k，则放大器的输入阻抗应大于1M。2)高共模抑制比CMRR。信号工频干扰以及所测量的参数以外的作用的 干扰，一般为共模干扰，前置级须采用CMRR高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。3)低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。电路对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这不仅与实际的共模输入有关，而且也 与A3和A4的失调电压和

15、漂移有关。如果A3和A4有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没有被放大，还能被第二级抑制。这 样对于A3和A4的漂移要求就会降低。A3和A4前置放大级的差模增益要做得尽可能高，相比之下，第二级（A5）的漂移和共模误差就可以忽略，对放大器的 要求就可以大大降低。当R3=R4，R5=R6时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：Avd=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4) 由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，可作为通用仪用放大器使用。1.3.2 UA741运放型号的介绍 uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事

16、，工业和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。 这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。图 1-3 UA741uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明：1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚51.3.3运算放大器在实际中的应用运算放大器在模拟电路设计中几乎无处不在，语音、视频、通信和传感器等领域少不了它，信号隔离、放大、滤波等调理电路中也要用到它。第二章 电路仿真 2.1 EWB简介EWB（Electronic Workbench),”虚拟电子工作台“是加拿大

17、Interactive Image Technologies公司20世纪80年代末、90年代初推出的专门用于电子线路仿真的EDA软件。可以将不同类型的电路组合成混合电路，尤其是对数字电路进行仿真。它不仅可以完成电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和直流分析等常规电路的分析，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计14种电路分析方法，并具有故障模拟和数据储存等功能。目前常用的有EWB5.0版本。主要运行于windows 98环境下。2.2 EWB5.0的基本功能2.2.1建立电路原理图方便快捷EWB5.0为用户提供

18、数量众多的现实元器件和虚拟元器件，分门别类地存放在多个器件库中，绘制电路图时只需打开器件库，再用鼠标左键选中要用的元器件，并把它拖放到工作区，当光标移动到元器件的引脚时，软件会自动产生一个带十字的黑点，进入到连线状态，单击鼠标左键确认后，移动鼠标即可实际线，搭接电路原理图既方便又快捷。2.2.2用虚拟仪器仪表测试电路性能参数及波形准确直观用户可在电路图中接入虚拟仪器仪表，方便的测试电路的性能参数及波形，EWB5.0软件提供的虚拟仪器仪表有数字万用表、函数信号发生器、示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪等，这些仪器仪表不仅外形和使用方法与实际仪器相同，而且测试的数据和波形更为精确

19、可靠。62.3实际电路的搭建流程 图2-1初始面板（图2-1） 图2-2准备3个运算放大器-Ua741（图2-2） 图2-3连接，7口Vcc+,4口Vee（图2-3）图2-4准备其他电阻，滑动变阻，输入电压源图（图2-4） 图2-5将电阻连接（图2-5） 图2-6接上输入电源（图2-6） 图2-7最后加上模拟示波器（图2-7）2.4实际电路在EWB上的波形图本实验所用的运放电压均为15V输入信号为1V的正弦信号图2-8 1V电路仿真图图2-9 A点电压图2-10 输出电压输出电压为14.118V当输入电压为0.5V时图2-11 0.5V电路仿真图图2-12 A点电压图2-13 输出电压输出电压

20、为14.118V当输入电压为0.1V时图2-14 0.1V电路仿真图图2-15 A点电压图2-16 输出电压输出电压为14.118V当输入电压为0.07V时图2-17 0.07V电路仿真图图2-18 A点电压图2-19输出电压输出电压为13.0573V当输入电压为0.05V时图2-20 0.05V电路仿真图图2-21 A点电压图2-22 输出电压输出电压为9.3267V输入电压为0.02V时 图2-23 0.02V电路仿真图图2-24 A点电压图2-25 输出电压输出电压为3.7326V下面我们同时也做了傅里叶的变换来研究在不同频率下电压的变化。傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概

21、率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用（例如在信号处理中，傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量）。 图2-26 傅里叶频谱图傅里叶变换是一种解决问题的方法，一种工具，一种看待问题的角度。理解的关键是：一个连续的信号可以看作是一个个小信号的叠加，从时域叠加与从频域叠加都可以组成原来的信号，将信号这么分解后有助于处理。 我们原来对一个信号其实是从时间的角度去理解的，不知不觉中，其实是按照时间把信号进行分割，每一部分只是一个时间点对应一个信号值，一个信号是一组这样的分量的叠加。傅里叶变换后，其实还是个叠加问题，只不过是从频率的角度去叠加，只不过每个

22、小信号是一个时间域上覆盖整个区间的信号，但他确有固定的周期，或者说，给了一个周期，我们就能画出一个整个区间上的分信号，那么给定一组周期值（或频率值），我们就可以画出其对应的曲线，就像给出时域上每一点的信号值一样，不过如果信号是周期的话 ，频域的更简单，只需要几个甚至一个就可以了，时域则需要整个时间轴上每一点都映射出一个函数值。 7傅里叶变换就是将一个信号的时域表示形式映射到一个频域表示形式；逆傅里叶变换恰好相反。这都是一个信号的不同表示形式。它的公式会用就可以，当然把证明看懂了更好。 对一个信号做傅里叶变换，可以得到其频域特性，包括幅度和相位两个方面。幅度是表示这个频率分量的大小，那么相位的物

23、理意义，频域的相位与时域的相位有关系。信号前一段的相位（频域）与后一段的相位的变化是否与信号的频率成正比关系。 傅里叶变换就是把一个信号，分解成无数的正弦波（或者余弦波）信号。也就是说，用无数的正弦波，可以合成任何你所需要的信号。 傅里叶变换用于信号的频率域分析，一般我们把电信号描述成时间域的数学模型，而数字信号处理对信号的频率特性更感兴趣，而通过傅立叶变换很容易得到信号的频率域特性。 8傅里叶变换简单通俗理解就是把看似杂乱无章的信号考虑成由一定振幅、相位、频率的基本正弦（余弦）信号组合而成，傅里叶变换的目的就是找出这些基本正弦（余弦）信号中振幅较大（能量较高）信号对应的频率，从而找出杂乱无章

24、的信号中的主要振动频率特点。如减速机故障时，通过傅里叶变换做频谱分析，根据各级齿轮转速、齿数与杂音频谱中振幅大的对比，可以快速判断哪级齿轮损伤。 9 第三章 实际电路的搭建3.1实际实验电路的搭建实际电路的搭建则是利用现实中的电气元件将理想的电路构造出来。图3-1 电路板正面图3-2 电路板反面第四章 误差分析量是物理实验离不开对物理量进行测量。由于测量仪器、实验条件、测量方法以及人为因素的局限,测不可能无限精确的,测量结果与客观存在的真值之间总有一定的差异,也就是说总是存在着测量误差。测量误差的大小反映我们的认识与客观真实的接近程度。虽然实验中的误差是不可避免的,但误差是应该且可以尽量减小。

25、通过对实验结果的误差分析与控制,有助于进行严密的科学思维和能力的训练,提高实验素养，实验材料和实验方法。4.1误差分析 误差=|模拟电压-实验电压|/模拟电压*100%实验中所出现的误差是由于运算放大器和其他的电子元件并不是理想的，这些误差来自于实验误差和示波器读数，是不可避免的。我们可以通过更好的实验电路和实验方法来尽力避免和减少误差。10第五章 总结与展望5.1总结 时间转瞬即逝,在学校的生活已经接近尾声了，在过去这一年多的学习中，我对电路实验有了更进一步的认识。在大学即将结束之时，我对在这一年来的学习和这个毕业设计进行总结，总结这个项目的收获与不足。取之长、补之短，在今后的学习和工作中有

26、所受用。这次毕业设计非常有意思，收获的实验成果是更有意义的。当我的成品完成时，同学给与我的肯定，让我觉得非常有成就感。当然，在制作过程中，我们也练习了学会了各种所学知识，将知识理论贯穿在实际操作中，用理论来解释实践，从而有效的学会应用。我了解了压力传感器的作用，把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。其原理大致是：将水压这种压力的力学信号转变成电流或电压信号。压力和电压或电流 大小成线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器和微差压变送器，负压变送器三种压力变送器. 在这一年学习中，让我受益颇多。关于差分放大器和压力

27、传感器的了解也逐渐深入。但在这中间，我也发现了我存在的很多不足。我的动手能力还不够强，当有些实验需要很强的动手能力时我还不能从容应对；我的探索方式还有待改善，当面对一些复杂的实验时我还不能很快很好的完成；我的数据处理能力还得提高，当眼前摆着一大堆复杂数据时我处理的方式及能力还不足，不能用最佳的处理手段使实验误差减小到最小程度5.2展望随着现代测量和自动化技术的发展，压力传感器和运算放大器的用量每年以20 %的速度增长。目前市场上的压力传感器品种繁多，规格及技术性能不一，价格差别也很大。 这就涉及到传感器的选用。选用的原则便是以最经济的价格买到满足其用途、压力量程、精度要求、温度范围、电和机械要

28、求的压力传感器。我们的毕业设计有所局限，如果我们将之与单片机结合，写入程序，将会成为非常有意思的机电一体化 总之，毕业设计让我收获颇丰，同时也让我发现了自身的不足。在课上学得的，我将发挥到其它中去，也将在今后的学习和工作中不断提高、完善；在此间发现的不足，我将努力改善，通过学习、实践等方式不断提高，克服那些不应成为学习、获得知识的障碍。在今后的学习、工作中有更大的收获，在不断地探索中、在无私的学习、奉献中实现自己的人身价值！ 致 谢本论文是在指导老师陈曦的悉心指导下完成的，陈老师严谨的治学态度和务实的工作作风，一直鼓励着学生努力工作，不断思考，不断创新，不断进取，使我受益匪浅，在此向陈老师表示

29、诚挚的感谢。感谢陈老师提供试验所需条件，感谢他对我的关怀和对我工作的肯定。在这里，还要特别感谢芦超和张耀中同学他们的帮助使我能够顺利完成毕业论文，获益良多。感谢课题组刘伟和任浩同学对我在完成毕业论文期间给予的热心帮助。感谢我的家人、朋友和同学三年以来对我的支持。感谢三年以来诸位学院老师们对我的教导！ 最后，感谢各位百忙中抽空审阅我的毕业论文，感谢参加论文答辩的指导老师！参考文献1 ,俞朴,宋爱国. 传感器技术M. 南京：东南大学出版社，2007, 3(2):78-94.2 张开逊. 检测多种非电量的变模式传感器 J中国科技月报 2001(08) 3 （法）埃尔贝. 压力测量压力计和传感器M.原

30、子能出版社，1989,15(3):714 李和太. 半导体敏感元件与传感器M. 沈阳:东北大学出版社，2008, (6):4-145 Philips Semiconductors. General purpose operational amplifier-UA741.1994, (8):16 李睿,李鑫. 差分放大器的研究仿真及优化 J科协论坛(下半月) 2010( 02) 7 ,. 差分放大器的反馈分析 J8 夏承铨. 电路分析M. 武汉: 武汉理工大学出版社，2006, 18（1）:129-1329 秦世才,王朝英. 集成运算放大器应用原理M. 天津: 天津科学技术出版社, 1983（10）197-20610 潘强,李和平. 差分放大器的误差分析 J海军工程大学学报 2002(02)11 王勇. 电路理论基础M. 科学出版社，2005, 8（1）:18-24.