传感器原理及应用--(完整版)资料.doc

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2、PT和WAIT 智能传感器 姓名： 学号： 班级： 专业： 2021年12月目录摘要41. 前言52. 智能传感器概述52.1 智能传感器定义52.2 智能传感器的功能667777888882.3 智能传感器的性能特点8899999993. 智能传感器结构及封装形式103.1 智能传感器的结构103.2 智能传感器的封装113.2.1 封装定义及目的113.2.2 封装形式的实例114. 智能传感器的实现技术134.1 非集成化实现134.2 集成化实现134.3 混合实现135. 智能传感器的应用与发展趋势145.1 国内外应用情况145.1.1 在汽车领域的应用145.1.2 在气体分析方

3、面的应用155.1.3 在航天航空领域的应用165.1.4 在通信方面的应用165.1.5 在医学方面的应用175.2 智能传感器发展趋向186. 智能传感器实例硅压阻式智能压力传感器186.1 硅压阻式智能压力传感器基本原理186.2 硅压阻式智能压力传感器温度特性196.3 硅压阻式智能压力传感器温度补偿216.3.1 硬件补偿216.3.2 软件补偿216.4 硅智能压力传感器特性分析256.4.1 静态特性256.4.2 动态特性267. 结束语288. 参考文献28摘要 智能传感器是一种带微处理器的，兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器，是传感器技术的主要发展

4、方向之一，也是一门涉及多种学科的综合技术，其强大的信号处理功能以及高性价比的特点使其能够应用于各个领域之中，它的产生极大地推动了自动化领域的发展，在一定程度上引领了许多新兴产业的发展。本文主要阐述了智能传感器的功能、特点，更对其结构、封装形式、进行研究，举例深入阐述智能传感器敏感元件的温度特性以及温度补偿方法，探讨了智能传感器在各领域中的应用及其未来的发展趋向。关键词：智能传感器；温度漂移；温度补偿；应用1. 前言传感器(sensor)一词来自拉丁语sentire,意思是“觉察,领悟”。传感器的作用就是对诸如热、光、力、声、运动等物理的或化学的刺激作出反应。传感器感受被测量后定量地将其转化成电

5、信号,信号调理电路对该信号进行放大、调制等处理,再由变送器转化成适于记录和显示的形式输出。传感器以及传感器系统可以使我们对周围环境有足够的了解和警觉，也可以对我们的健康和环境进行持续监控，并带来平安。而随着系统自动化程度和复杂性的增加,对传感器的精度、可靠性、响应速度等要求越来越高,传统的传感器由于功能单一、体积大,其性能和工作容量已不能满足需要,必须发展新型传感器系统。2. 智能传感器概述2.1 智能传感器定义智能传感器的定义可以各不相同，但最基本的特征是将一个敏感元件与由微处理器所提供的数据处理功能相结合。换言之，智能传感器是作为基础部件的敏感元件与植入的人工智能的结合。传感器的信号被输入

6、到微处理器后，后者对所输入的数据进行处理后再将信息传送到外部的使用者。本文所指的智能传感器系统的更全面描述可参见图2-1：一个完整的智能传感器系统必须包括对传感器的响应数据和其它数据的模式进行登录和处理的能力以及自备能源，同时有能力将富含信息的数据传输或显示给外部使用者。最基本的概念是将硅微处理器和传感技术集成在一起的智能传感器系统不仅能提供数据解析和个性化的输出，并且可以大大改进传感器系统的特性和功能。图 21 智能传感器系统智能传感器系统通常包含若干功能层: 具有不同感知功能的信号检测层、信号处理层、数据验证和解析层以及信号传输和显示层等。单个智能传感器系统中可包含多个传感器，每个传感器的

7、操作参数如偏置电位及温度等可由系统的微处理器来设定。传感器元件与信号控制及调节平台之间的界面可同时提供激励信号和进行信号记录及调节。数据采集层可将模拟信号转换成数字信号，也可采集额外的必需参数以进行诸如温度漂移及时间漂移的信号补偿。所植入的人工智能可对不同传感器进行连续监控，对所采集的工程数据进行验证，并定期进行传感器标定和检测传感器是否工作正常。处理后的数据成为所需信息并传输到外部用户。用户可对传输来的数据进行选择：仅读取单一数据或下载传感器系统的完整参数1。2.2 智能传感器的功能智能传感器的功能是通过比较人的感官和大脑的协调动作提出的,随着微电子技术及材料科学的发展,传感器在发展与应用过

8、程中越来越多的与微处理器相结合,不仅具有视觉、触觉、听觉、味觉,还有了储存、思维和逻辑判断能力等人工智能。概括而言,主要功能有以下几点:2.2.1 自补偿和计算普通传感器往往具有温度漂移和输出非线性的缺点。因此，智能传感器自补偿和计算功能出现之前，从事传感器研制的工程技术人员都没有从根本上解决传感器的温度漂移和输出非线性的补偿工作的问题。而智能传感器的自补偿和计算功能为传感器的温度漂移和非线性补偿弥补了这个缺点，利用微处理器对测试的信号通过软件计算，采用多次拟合和差值计算方法对漂移和非线性进行补偿，以此得到精确的测量结果。这样，只要保证传感器的重复性好的这个前提，即使放宽传感器加工精密度要求，

9、同样可以得到得到精确的测量结果。另外还可进行统计处理、能够重新标定某个敏感元件,使它重新有效。2.2.2 自诊断功能普通传感器往往需要定期检验和标定，以保证它在正常使用时足够的准确度，这些工作一般要求将传感器从使用现场拆卸送到实验室或检验部门进行, 对于在线测量传感器出现异常则不能及时诊断。采用带微控器的智能传感器，利用其先进的自诊断功能便免去普通传感器的定期检验和标定的工作，这种功能包括两个方面:外部环境条件引起的工作不可靠;传感器内部故障造成的性能下降。其直观的指示方式,可持续显示诊断结果和工作状态。无论内外因素,诊断信息都能使系统在故障出现之前报警,从而减少系统停机时间,提高生产效率。2

10、.2.3 复合敏感功能敏感元件测量一般通过两种方式 ：直接和间接的测量。智能传感器能够同时测量多种物理量和化学量,具有复合敏感功能,能够给出全面反映物质变化规律的信息,如光强、波长、相位和偏振度等参数可反映光的运动特性;压力、真空度、温度梯度、热量和熵、浓度、pH值等分别反映物质的力、热、化学特性。如美国加利弗尼亚大学研制的复合液体传感器，可同时测量介质的温度、流速、压力和密度。美国EG&GIC Sensors公司研制的复合力学传感器，可同时测量物体某一点的三维振动加速度、速度、位移等。2.2.4 强大的通讯接口功能由于用了微型机使其接口标准化,所以能够与上一级微型机进行接口的标准化,智能传感

11、器输出的数据通过总线控制,为与其它数字控制仪表的直接通讯提供了方便,使智能传感器可作为集散控制系统的组成单元受中央计算机的控制。2.2.5 自学习和适应功能利用嵌入智能和先进的编程特性相结合,智能传感器便具有学习功能,它能通过学习理想采样值，处理器利用近似公式和迭代算法可认知新的被测量值，以便为各种场合快速而方便地设置最佳灵敏度。学习功能使光电传感器能对被检测过程取样,计算出光信号阈值,自动编程最佳设置,并且能在工作过程中自动调整其设置,以补偿环境条件的变化。这种能力可以补偿部件老化造成的参数漂移,从而延长器件或装置的使用寿命和扩大其应用范围。2.2.6 模拟和数字输出功能许多带微控制器的传感

12、器内部集成了模数转换电路，能通过编程提供模拟输出、数字输出或同时提供两种输出,并且各自具有独立的检测窗口。最新的智能传感器都能提供两个互不影响的输出通道,具有独立的组态设备点。2.2.7 数值处理功能根据内部的程序自动处理数据,例如进行统计处理、剔出异常数值等2。2.2.8 信息存储和记忆功能智能传感器具有信息存储和记忆功能。能把测量参数、状态参数通过RAM和EPPROM进行存储。为了防止数据在掉电时消失，智能传感器中具有备用电源，当系统掉电时，能够把后备电源接入RAM，保护数据不丢失3。2.2.9 人机对话功能计算机、智能传感器、检测仪表组合在一起，配备各种显示装置和输入键盘，使系统具有灵活

13、的人机对话功能，可配合操作人员指导工作，减少操作失误和读数错误。2.2.10 软件组态功能智能传感器不仅由必要的硬件组成，例如检测、放大、A/D、D/A、通信接口等，而且还有软件用于控制和处理数据。在智能传感器中，设置有多种模块化的硬件和软件，用户可以通过微处理器颁布指令，改变智能传感器硬件模块和软件模块的组合状态，以达到不同的应用目的，完成不同的功能，增加了传感器的灵活性和可靠性。2.3 智能传感器的性能特点2.3.1 高精度智能传感器通过软件技术可实现高精度的信息采集，能够随时检测出被测量的变化对检测元件特性的影响，采用自调零、自补偿、自校准等多项新技术，如数字滤波及补偿算法等，使输出信号

14、更为精确，能达到高精度指标。美国BB（BURRBROWN）公司：XTR系列精密电流变送器，转换精度 0.05，非线性误差0.003。 2.3.2 宽量程 智能传感器的测量范围很宽，并具有很强的过载能力。例如，美国ADI公司：ADXRS300型单片偏航角速度陀螺仪集成电路测量转动物体的偏航角速度的范围是300/s。只需并联一只设定电阻，即可将测量范围扩展到1200 /s。2.3.3 高可靠性与高稳定性智能传感器能够自动补偿因工作条件或环境参数变化而引起的系统特性的漂移，如环境温度变化而引起传感器输出的零点漂移，能够根据被测参数的变化自动选择量程，能够自动实时进行自检，能够根据出现的紧急情况自动进

15、行应急处理，这些都可以提高智能传感器系统可靠性与稳定性。2.3.4 高信噪比与高分辨率 智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，能够通过软件进行数字滤波、小波分析及HHT等时频域分析，去除输入数据中的噪声，提取有用信号提取，以此保证对特定参数测量的分辨能力，故智能传感器有效提高系统的信噪比与分辨率。 2.3.5 强自适应性智能传感器的微处理器可以使其具备判断、推理学习能力，从而具备根据系统所处环境及测量内容自动调整测量参数，使系统进入最佳工作状态。2.3.6 高性价比 智能传感器采用价格便宜的微处理器及外围部件即可以实现强大的数据处理、自诊断、自动测量与控制等多项功能，免去普通传感器技术以

16、精心设计和调试传感器的各个环境来追求传感器本身的完善的所需要付出的高额代价。因此，智能传感器具有很高的性价比。 2.3.7 灵活性强随着计算机编程技术的不断发展，以软件为主体的智能传感器不仅在使用便捷、功能多样化等方面呈现出很大的灵活性，而且在其性能方面，由于其控制软件或运算软件易于修改，也使它的性能便于优化。 2.3.8 集中的控制 由于智能传感器采用微处理器对整个系统进行控制，而且微处理器具有强大的数据处理能力和控制能力，通过它的软件程序使微处理器得到充分的利用，这样就可以使智能压力传感器系统的各种功能协调作用，从而保证了它的优点得以充分发挥。2.3.9 功能多样化相比普通传感器，智能传感

17、器不但能自动检测多种参数，而且能根据测量的数据自动进行数据处理并给出结果，还能够利用组网技术构成智能检测网络。3. 智能传感器结构及封装形式3.1 智能传感器的结构最初的智能传感器设计主要集中在输出端数字处理上,旨在获得高精度的温度补偿和校正。后来的设计包括增强数字特性(如远距离通讯和可寻址能力)等,但研制工作还未涉及到制造过程所用的测试系统接口,这种接口可实现传感器的批量生产,从而大大降低传感器成本。智能传感器主要设计结构有两种:一种是数字传感器信号处理(DSSP),另一种是数字控制的模拟信号处理(DCASP)。如图3-1所示。最精确的设计都采用DSSP结构,通常包括两个传感器:被测量传感器

18、(例如压力)和温度(补偿)传感器。在硅器件中,温度信号可直接从被测量传感器提取出来,传感器信号经多路调制器送到A/D变换器,然后再送到微控器进行信号的补偿和校正。校正时可用传感器输出的算法趋近或多表面逼近法进行信号处理,每个给定传感器的校正系数都被单独储存在永久性寄存器中。如果需要模拟输出,可另外加一个D/A变换器4。图 31 DSSP(a)和DCASP(b)智能传感器结构比较3.2 智能传感器的封装3.2.1 封装定义及目的封装，就是指安装集成电路用的外壳,把硅片上的电路管脚，用导线接引到外部接头处，以便于其它器件连接。封装形式是指安装半导体集成电路芯片用的外壳。它不仅起着安装、固定、密封、

19、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，而且还通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的PCB(印制电路板)的设计和制造，因此它是至关重要的。衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。3.2.2 封装形式的实例按照封装外形，集成电路的封装可以分为直插式封装、贴片式封装、BGA封装等类型。以美

20、国Motorola公司生产的MPX4100A系列单片集成硅压力传感器。采用显微机械加工、激光修正等先进技术和薄膜电镀工艺，具有测量精度高、预热时间短、响应速度快、长期稳定性好、可靠性高、过载能力强等优点。采用+5V电源时，在0+80温度范围内的最大测量误差不超过1.8%，满量程的输出电压为4.95V，压力灵敏度为54Mv/kPa，预热时间为20ms，响应时间仅为0.1ms，长期稳定度为0.5%，允许过载348%FS（即最高可承受400kPa的压力，FS代表满量程）。MPX4100A系列单片集成硅压力传感器有多种封装形式，其引脚排列所对应的型号如图所示。6个引脚从左至右依次为输出端（Uo）公共地

21、（GND）、电源端（Us），其余引脚是空脚。图 32 MPX4100A系列产品的引脚排列图图 33 CASE482-01封装引脚1，5，6，7，8没有设备连接。不连接到外部电路或地面。图 34 CASE867-08封装引脚4，5，6是内部设备连接。不连接到外部电路或地面。4. 智能传感器的实现技术4.1 非集成化实现非集成化智能传感器是将传统的经典传感器（采用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能）、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统。这种非集成化智能传感器是在现场总线控制系统发展形势的推动下迅速发展起来的。自动化仪表生产厂家原有的一套生产工艺

22、设备基本不变,附加一块带数字总线接口的微处理器插板组装而成,并配备能进行通信、控制、自校正、自补偿、自诊断等智能化软件,从而实现智能传感器功能。这是一种最经济、最快速建立智能传感器的途径。4.2 集成化实现集成化智能传感器是采用微机加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成的。故又可称为集成智能传感器（IntegratedSmart/IntelligentSensor）。4.3 混合实现根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如：敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口，以不同的组合方式集成在两块或三块

23、芯片上，并装在一个外壳里。5. 智能传感器的应用与发展趋势5.1 国内外应用情况自美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在1983年公司研制第一个将硅敏感元件技术与微处理器的计算、控制能力结合在一起的智能传感器以来，智能传感器的独特结构与优点吸引着众多研究者对其开发应用的不断探索。目前，智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中，多使用于压力、力、振动冲击加速度、流量、温湿度的测量。以下为智能传感器的应用：5.1.1 在汽车领域的应用到目前为止，应用智能传感器最成功的是为规模化生产的汽车工业开发的智能传感器，在汽车安全行驶系统、车身系统、智能交通系统等领域的应用已经比

24、较广泛。除了普遍安装了刹车防抱死装置(ABS)外,许多轿车包括国产车已增设了电子动力分配系统(EBD),ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在,国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统(EBA),该系统在发生紧急情况时,自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度,并判断紧急制动的力度是否足够,如果需要,就会自动增大制动力。针对车轮还有分别监测各个车轮相对于车速的转速,进而为每个车轮平衡分配动力,保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力控制”(ETC)系统。针对照明还有通过车外的光线明暗感应器监测到外界光线的电子式自动照明系统。汽车行车安全方面还装有在

25、关键时刻必须要能及时、正确地瞬时打开，在极大多数时间内气囊处在待命状态的安全气囊触发系统。安全驾驶方面装有通过测定电阻值可检测出呼气中含有的酒精浓度的酒精检测系统（MEMS），酒精检测传感器可以植入在密封外壳内、连同信号调理电路等一起嵌入方向盘内，一旦检测出驾驶员呼出的气体含有酒精，便发出安全警报。雨天驾驶方面装有据光束所反射的光线强度改变雨刷的刷动频率；或透过红外线电子雨量传感器感应雨量的多寡并随车速的变化自动调整雨刷速度的自动雨刷系统。行车辅助方面的由接近速度传感器（CV）和制动辅助系统组成、用于辅助驾驶员在可能发生追尾事故的情况下进行车辆制动的主动避撞系统和电子稳定控制系统（也称为汽车动

26、态控制系统）以及可用于道路分离报警和引导、司机睡意探测、道路障碍传感、智能气囊部署、盲点探测等传感器的智能系统，还有采用超声波传感器具有小体积、防水、窄范围检测、响铃时间短、检测准确特点的倒车系统等。除此以外，还普遍安装大量压力智能传感器如轮胎压力监测系统（TPMS），一种用来监测汽车轮胎压力和温度的一种监测系统，TPMS组成如下图所示。一个 TPMS 有4至5个RTPM模块；中央监视器接收到RTPM模块发射的信号，并将各个轮胎的温度和压力数据显示在屏幕上，以供驾驶者参考。如果轮胎的温度或压力出现异常，中央监视器可根据异常情况，发出不同的报警信号，提醒驾驶者采取一定的措施。TPMS对防止重大交

27、通事故的积极作用，以及随着军队对汽车主动安全性要求的提高，该系统将在民用及军队拥有广阔的发展空间。图 51 TPMS组成：1 RTPM模块；2射频接收盒；3液晶显示器5.1.2 在气体分析方面的应用在环境监测领域，智能传感器已经有了不少典型的应用案例。在2007年召开的的DARPA微系统技术研讨会的会议海报上介绍了一种微气体分析仪，通过微型、快速、超低功耗、芯片级尺度微气体分析仪，能够检测270种分析物和干扰物，最低可探测信号小于1ppt，可实现化学战剂的远程监测，用于边境预警用传感器网络的构建.仪器也非常节能，每次分析能耗2.6J。据报道，美国密歇根大学研究人员正在开发一种便携式可调节的二维

28、微型气体色谱仪，能通过病人呼吸诊断病情。5.1.3 在航天航空领域的应用用于制造航天飞机和飞机的材料是有使用寿命的，因此NASA经常要检查运载火箭、乘员舱、燃料箱和其它结构件的健康状况。美国斯坦福大学开发了一项专利技术斯坦福多致动器接收转换（SMART）层。它的工作原理是：传感器产生的电磁波在结构部件中传播，电磁波被其它的传感器接收，最后将数据传输到计算机中进行处理，提供了一种结构健康监测的实现方法。2021年，欧洲空客公司主办了国际结构健康监测研讨会，Acellent 技术公司的SMART层技术获得了“航空航天领域最佳实用 SHM 解决方案”奖。图3是Acellent 技术公司开发的八传感器

29、检测带，可监测结构健康状况。图 52 八传感器监测带5.1.4 在通信方面的应用目前，智能传感器系统本身都是数字式的，但其通信规定仍采用4 20mA的标准模拟信号。在现在的过渡阶段采用了HART协议(Highway Addressable Remote Transducer，寻址远程传感器数据线),与现有的4 20mA 的系统兼容，模拟与数字可以同时进行通信。此外，智能传感器的一个技术突破就是通信功能采用标准化接口。IEEE 1451系列变送器接口标准使变送器到网络的连接和设备间的相互更加地便利，有研究者将IEEE1451与其他标准结合，取得了很好的效果。刘龙等将 IEEE 1451.2标准与

30、射频技术结合，以 A-DUC812单片机为核心，应用射频芯片Nrf24e1、振动传感器ADXL210 与温度传感器DS18B20设计无线智能传感器节点；蔡永娟等把IEEE 1451 和 SWE(Sensor Web Enablement)两个标准的长处进行结合，总结出一个新型的传感器标准化架构；有研究者设计了基于 IEEE1451标准的工业过程自动控制多接口模块，使用ZigBee通信系统，NIOS5.1.5 在医学方面的应用现在，有研究者设计了通过对身体的各种压力进行实时的测量以判断该个体的健康状况(尤其是心脏、大脑等的健康状况的身体实时监测系统。因此可以设计如下图的系统，对影响人体的关键参数

31、进行监控。可以达到预防突发性心脑疾病的目的。图 53 基于智能传感器的“身体实时监控系统”原理图图 54心内压监视传感器原理图5.2 智能传感器发展趋向我国对智能传感器的研究主要集中在专业研究所和大学，始于20世纪80年代中期，80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。90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，主要在：先进的计算、模拟和设计方法 ；先进的微机械加工技术与设备；先进的封装技术于设备；可靠性技术研究等方面。所以加强技术的研

32、究和引进先进设备，提高整体水平是我们今后努力的方向。今后几年，智能传感器将扩展到化学、电磁、光学和核物理等领域。可以预见，越来越多的智能传感器将会在我国国民经济的各个领域发挥作用5。6. 智能传感器实例硅压阻式智能压力传感器以硅压阻式智能压力传感器为例，既有获得信息的能力又有信息处理功能的传感器系统，同时具备学习、推理、感知、通讯及管理的功能，其典型结构如图所示。图 61智能压力传感器典型结构框图6.1 硅压阻式智能压力传感器基本原理压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应制成的。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子

33、纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化，即压阻效应。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），对于导体或半导体材料，其电阻R可用下式表示：(6-1)式中L 半导体材料的长度；A半导体材料的截面积；半导体材料的电阻率数学处理后得：(6-2)表明半导体材料电阻的变化率R /R 主要是同/引起的，在弹性形变限度内，硅的压阻效应是可逆的，即是说在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值6。6.2 硅压阻式智能压力传感器温度

34、特性硅材料为半导体材料，而根据半导体理论可知：半导体的导电能力将随温度的增加按指数规律增加，所以半导体材料对温度都比较敏感。因而由半导体材料制作而成的压阻式传感器受到温度影响后，传感器的输出信号将产生温度漂移，一般分为一下两种：零点漂移：是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数亦小，反之，薄层电阻增加，温度系数增大。而因工艺制造难以使组成惠斯通电桥（图）的四个扩散电阻的阻值相等，从而使零位漂移的不可避免。图 62惠斯通电桥原理图当电桥用激励时，电桥的输出为：(6-3)其中 为时的零点输出； 为有效输出信号，与P成正比；

35、为电桥不平衡量； 为压力引起的电桥不平衡量。灵敏度漂移：由于压阻系数随温度改变，压力灵敏度与压阻系数成线性关系。当温度升高时，压阻系数减小，传感器灵敏度降低，反之则压阻系数增大，灵敏度增高。而且制作力敏电桥时采用 N 型硅片中硼扩散，形成P型扩散电阻，这样两种区域的热膨胀的温度关系存在差异，产生附加应力，也会影响灵敏度。在膜片表面的二氧化硅层与力敏电阻条的热胀系数也不同，也会产生影响灵敏度的热应力；当阻条的掺杂浓度不一致时也会造成明显的灵敏度温漂。由沿一定的晶轴方向切割出的硅半导体材料所构成的电阻具有明显的压阻效应，其应变电阻的灵敏度系数。(6-4)式中为硅材料的柏松系数；E为材料弹性模量 ；

36、A、为硅材料及杂质浓度有关的常数；为硅材料的纵向压阻系数图 63 灵敏度与温度变化曲线6.3 硅压阻式智能压力传感器温度补偿温度补偿的方法一般为二维回归分析法、查表法等软件补偿。由于硅压阻式压力传感器的核心部件是扩散硅电阻桥，因此，除了上述软件补偿外还有硬件补偿通过电路改造及时平衡桥臂力敏电阻电阻值和温度系数的一致性。6.3.1 硬件补偿根据温度漂移的不同，采用不同的硬件补偿方法。常见的零点漂移补偿方法是采用热敏电阻器随温度的变化来弥补桥路输出随温度的变化，却因热敏电阻器与桥路电阻的温度系数难以匹配而不稳定，此外，热敏电阻器与桥路电阻所处温度不同，在相当程度上影响了传感器的补偿精度。常用的灵敏

37、度温度漂移补偿包括热敏电阻器，二极管、三极管补偿法以及采用恒流源供电的补偿方法等等。6.3.2 软件补偿软件补偿方法是通过微控制器实现多元参量的非线性拟合，一般为二维回归分析法、查表法。6.3.2.1 二维回归分析法利用二次回归方程，进行数据信息融合。(6-5)式中： 为常系数；为高阶无穷小其次根据最小二乘法原理，求得的系数值满足方程误差最小条件。由二院回归方程得方差： (6-6)总计有mn个标定点，其均方差 R 应为最小：(6-7)根据多元函数的极值条件，分别令 R 关于5个常系数的偏导数为零，由此解方程组便可得出5个常系数，便可求出 P。6.3.2.2 查表法一种分段线性插值法。它是根据精

38、度的要求对反非线性曲线进行分段，用若干段折线逼近曲线，将折点坐标值存入数据表中，测量时首先要明确对应输入被测量的电压值是在哪一段；然后根据那一段的斜率进行线性插值，即得输出值。图 64反非线性的折线逼近下面以四段为例，各线段的输出表达式：第段：(6-8)第段：(6-9)第段：(6-10)第段：(6-11)式中：k 为折点的序数，四条折线有五个折点k=1，2，3，4，5。由电压值u求取被测量 x 的程序框图如图所示。图 65非线性自补偿流程图折线与折点的确定有两种方法：近似法与截线近似法。无论哪种方法所确定的折线段与折点坐标值都要与所要逼近的曲线之间存在误差 ，按照精度要求，各点误差，都不得超过

39、允许的最大误差界，即 。6.3.2.3 近似法 折点处误差最大，折点在误差界上。折线与逼近的曲线之间的误差最大值为m，且有正有负(如下图所示)。图 66 近似法6.3.2.4 截线近似法折点在曲线上且误差最小，这是利用标定值作为折点的坐标值。折线与被逼近的曲线之间的最大误差在折线段的中部，应控制该误差值不大于允许的误差界m，各折线段的误差符号相同，或全部为正，或全部为负(如下图所示)。图 67 截线近似法6.4 硅智能压力传感器特性分析6.4.1 静态特性传感器的静态特性是在稳态信号作用下的输入-输出特性。即输入量是静态量，输出量为输入量的确定函数。6.4.1.1 灵敏度 传感器输出的电信号与

40、所受压力之比，称之为灵敏度。对于给定的压力，灵敏度越高，压力传感器输出的信号越大。为了减小噪声引入的误差，在选择压力传感器和系统时，力求使信噪比最大化。与粘贴应变片压力传感器相比，扩散硅应变片式压力传感器的灵敏度较高，噪声较低。Endevco公司采用了刻蚀成型的硅膜片，并采用了横向应变片设计，从而使压力传感器的输出达到满量程300mV，在10V直流电压激励下，噪声只有5V。6.4.1.2 线性度传感器的线性度，又称传感器的非线性误差，即 (6-12)式中： 为校准曲线与理想拟合曲线间最大偏差；为传感器满量程输出平均值。是测试系统的输入-输出校准曲线与理想拟合曲线间最大偏离与传感器满量程输出之比

41、。通常是用满量程输出的百分数来表示的，百分数越小，表明线性度越好。硅压阻式智能压力传感器通常低于满量程的0.1%。技术性能表中也给出了3倍满量程下的非线性度。6.4.1.3 迟滞对某一输出量，传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时在同一输入量下的输出量，这一现象称为迟滞。迟滞特性表明在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出-输入曲线不重合的程度，即反映了传感器机械部分不可避免的缺陷，如轴承摩擦、积塞灰尘等。迟滞大小一般由实验确定，其值以满量程输出的百分数表示，公式：(6-13)图 68迟滞特性单晶硅是一种非常好的弹性材料，在600以下其应力应变曲线没有塑性变形区，而且不存在蠕变现象，

42、因此硅膜片压力传感器只要设计合理，滞后非常小。 6.4.1.4 重复性在相同的工作条件下，在一段短的时间间隔内，输入量从同一方向作满量程变化时，同一输入量值所对应的连续先后多次测量所得的一组输出测量值，它们之间相互偏离的程度称为传感度的重复性。6.4.1.5 稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是，不管什么时候传感器的灵敏度等特性参数不随时间变化。但实际上，随着时间的推移6.4.2 动态特性传感器的动态特性就是指其输出对于时间变化的输入量的相应特性。高频响应 压阻式压力传感器的膜片既可用来测量静态压力，也可测量动态压力。对动态压力测量，压力传感器所能响应的上

43、限频率既与膜片的设计形式有关，也与其摆放的位置有关。由于质量很小，硅膜片的共振频率很高。硅膜片被置放在传感器的前端，从而减小了静空间，提高了共振频率。作为动态测量的准则，一般取传感器的共振频率为所欲测的最高频率的五倍。 在测量动态压力时，必须认真地考虑压力传感器所放的位置。在压力传感器距离测量点过远时，其响应将严重地限制着整个测量系统的响应。 测量电路图 69惠斯通电桥原理图桥路采用恒电流源供电，因此可得BD两端的电压式：(6-14)理想状态下，温度为，压力为 0时，当压力和温度都变化时，和阻值为，和阻值为，其中是温度为t的阻值与温度为的阻值R之差，即，因此,且：(6-15)由以上两式可知道，

44、压力的变化反映于的变化，故称 为压力电压信号，而温度的变化则反映为的变化，故称为温度电压信号。7. 结束语 智能传感器是传感器技术的主要发展方向之一，也是一门涉及多种学科的综合技术,其强大的信号处理功能以及高性价比的性能特点使其能够应用于各个领域之中，在一定程度上引领了许多新兴产业的发展。智能传感器的兴起不仅是传感器技术克服自身落后状况，也是适应现代自动化系统发展的必然趋势,更代表了未来传感器发展的方向。随着相关制造工艺及科学理论的不断发展，我们有理由相信智能传感器的发展前景必将是非常可观的。8. 参考文献2 王雪文,张志勇.传感器原理及应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2004:366- 388. 3 吴琼.智能传感器应用前景广阔J.机电信息,2001(6):16- 17.4 张子栋,吴雪冰,吴慎山.智能传感器原理及应用J. 河南科技学院学报2021(02):116-117.5 姜书汉.智能传感器的主要功能与应用发展J. 物联网.2021：34-35.6 王雪文,张志勇. 硅压阻式智能压力传感器的温度补偿研究与实现D.湖南:华南理工大学,2021:8- 32.