壓力傳感器實踐模塊唐軍/p>

tangjun@鄭永秋hengyongqiu@潘梓文：18734920606290162366@ 李鑫：187349204822239293638@

實驗要求：了解壓力傳感器及調理電路工作原理。掌握Protel99SE軟件的操作。畫出電路原理圖。畫出PCB版并進行手動布線。通過更改器件參數達到實驗要求。

應用背景隨著現代科學技術的飛速發展，壓力傳感器在水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、醫療等多個領域中有著非常廣闊的應用空間。原理背景壓力傳感器是一種把非電量轉變成電信號的器件，主要有壓電式與壓阻式兩種，以壓阻式為例，說明它的工作原理：壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器，當力作用于硅晶體時，晶體的晶格產生變形,使載流子從一個能谷向另一個能谷散射,引起載流子的遷移率發生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發生變化。壓力傳感器應用示意圖壓阻式壓力傳感器工藝結構型號選擇本次實驗選用壓阻式壓力傳感器作為測量元件，它的測量參數為：1.量程0-10bar；2.使用環境可在惡劣環境下使用；3.測量介質氣體；4.介質溫度范圍-50-600；5.輸出信號0-5V；6.電器接頭常用的有線纜；7.接口形式G1/4內螺紋；8.工作電壓24Vdc。另外，此傳感器具有以下優點：①

頻率響應高(例如有的產品固有頻率達1.5兆赫以上),適于動態測量;②

體積小（例如有的產品外徑可達0.25毫米），適于微型化；

③

精度高，可達0.1～0.01％；

④

靈敏高,比金屬應變計高出很多倍，有些應用場合可不加放大器；⑤

無活動部件，可靠性高，能工作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環境。幾種壓力傳感器實物壓力傳感器調理電路的分析與設計傳感器調理電路示意圖驅動芯片ir2184開關管電機模塊開關信號輸出信號電源模塊電源模塊電路原理圖：1.電源模塊每個電子設備都有一個供給能量的電源電路。電源電路有整流電源、逆變電源和變頻器三種。常見的家用電器中多數要用到直流電源。直流電源的最簡單的供電方法是用電池。但電池有成本高、體積大、需要不時更換（蓄電池則要經常充電）的缺點，因此最經濟可靠而又方便的是使用整流電源。電子電路中的電源一般是低壓直流電，所以要想從220伏市電變換成直流電，應該先把220伏交流變成低壓交流電，再用整流電路變成脈動的直流電，最后用濾波電路濾除脈動直流電中的交流成分后才能得到直流電。有的電子設備對電源的質量要求很高，所以有時還需要再增加一個穩壓電路。在我們的傳感器電路中，芯片需要+5V供電，而我們設計電源為10V，因此，需要一個電源模塊把外部電源轉換成+5V穩定直流電。1.1電源模塊芯片選用及設計

LM1117是一個低壓差電壓調節器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導體的工業標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調電壓的版本，通過2個外部電阻可實現1.25~13.8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。LM1117提供電流限制和熱保護。是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。電路包含1個齊納調節的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252D-PAK封裝。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態響應和穩定性。因此，我們選用1117-5組成電源模塊為電路提供+5V直流穩壓供電。首先，我們在供電端接入一個發光二極管，用于判斷通電時電路是否有電流通過，二極管會對電源分壓，實際進入電源模塊的電壓為供電電壓減去二極管的導通壓降。由于1117-5芯片已經比較成熟，我們只需要在輸入輸出端接入旁路電容進行去耦來改善瞬態響應和穩定性即可輸出穩定的+5V電壓。思考問題：為什么不用穩壓管？？？2.壓力傳感器MPM180MPM180型TO-8封裝壓阻式壓力敏感元件，采用先進的離子注入工藝和微機械加工工藝，形成了惠斯登電橋和精密的力學結構的硅敏感元件，以TO-8的形式封裝。被測壓力通過壓力傳接口作用在硅敏感原件上，實現了所加壓力與輸出電壓信號的線性轉換。壓力傳感器由4個采用惠斯頓電橋結構連接的壓敏電阻組成。當這些傳感器上沒有壓力時，橋中的所有電阻值都是相等的。當有外力施加于電橋時，兩個相向電阻的阻值將增加，而另兩個電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。阻值改變時，輸出電壓將隨之改變。MPM180等效惠斯登電橋2.1惠斯通電橋的原理下圖為惠斯通電橋的原理圖，待測電阻Rx和R1、R2、R0四個電阻構成電橋的四個“臂”，檢流計G連通的CD稱為“橋”。當AB端加上直流電源時，橋上的檢流計用來檢測其間有無電流及比較“橋”兩端（即CD端）的電位大小。調節R1、R2和R0，可使CD兩點的電位相等，檢流計G指針指零（即Ig=0），此時，電橋達到平衡。電橋平衡時，UAC=UAD，UBC=UBD，可以表示為I1R1=I2R2，IXRX=I0R0。因為G中無電流，所以，I1=IX,，I2=I0,。上列兩式相除，得:即為電橋平衡條件。顯然，惠斯通電橋測電阻的原理，就是采用電壓比較法。由于電橋平衡須由檢流計示零表示，故電橋測量方法又稱為零示法。當電橋平衡時，已知三個橋臂電阻，就可以求得另一橋臂得待測電阻值。通常稱R0為比較臂，R1/R2（即C）為比率（或倍率），Rx為電橋未知臂。在測量時，要先知道Rx得估測值，根據Rx的大小，選擇合適的比率系數，把R0調在預先估計的數值上，再細調R0使電橋平衡。

傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒有壓力施加于傳感器時存在輸出；增益誤差指傳感器輸出相對于施加于傳感器外力的敏感程度。由于壓力傳感器內部等效為惠斯登電橋，即內部電橋不平衡時，我們在傳感器外部連接4個電阻到4個橋上，通過調節R1到R4的阻值改變壓力傳感器內部電橋平衡狀態，達到校準的目的。給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時間變化不敏感，因此一旦傳感器得到校準，在該傳感器生命期內無需改變校準系數就能滿足精度要求。但是，在每次上電時通常需要再次校準系統。壓力傳感器模塊思考問題：如何設計溫度補償電路？原理是什么？電路如何實現需要電路調試和測試標定需要測試溫度系數！！3.放大電路模塊

典型傳感器一般規定激勵電壓為5V，具有20mV/V的標稱滿刻度輸出。這意味著在激勵電壓為5V時，標稱滿刻度輸出為：20mV/V×5V=100mV.輸出電壓太小會導致不容易檢測及受外界干擾較大，因此我們需要放大電路放大輸出信號。運算放大器一般用反饋電阻調節放大倍數，以達到實際應用需要的目的。

ad623是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3v~+12v）下提供滿電源幅度輸出,ad623允許使用單個增益設置電阻進行增益編程,以得到良好的用戶靈活性。在無外接電阻的條件下,ad623被設置為單位增益，外接電阻之后,ad623可編程設置增益,其增益最高可達1000倍。輸入信號加到作為電壓緩沖器的pnp晶體管上,并且提供一個共模信號到輸入放大器,每個放大器接入一個精確的50kΩ的反饋電阻,以保證增益可編程。差分輸出為:ad623內部結構示意圖

然后差分電壓通過輸出放大器轉變為單端電壓。6腳的輸出電壓以5腳的電位為基準進行測量。基準端(5腳)的阻抗是100kΩ,在需要電壓/電流轉換的應用中僅僅需要在5腳與6腳之間連接一只小電阻。+vs和-vs接雙極性電源(vs=±2.5v～±6v)或單電源(+vs=3.0v～12v,-vs=0)。靠近電源引腳處加電容去耦。去耦電容最好選用0.1μf的瓷片電容和10μf的鉭電解電容。ad623的增益g由rg進行電阻編程,或更準確的說,由1腳和8腳之間的阻抗來決定。g可以由以下公式計算:ad623內部結構示意圖ad623的REF端為參考電壓端，為了匹配后級電路，可以在REF端加入電壓，使整體電壓得到提高，增加系統的穩定性。REF參考電壓可以使輸出電壓偏移，如輸入信號為±10mV，放大倍數100倍時，輸出電壓為±1V，在REF端加入2V參考電壓，輸出電壓改變為2V±1V。在電路中，通過調節REF與電源的分壓電阻來調整輸入的參考電壓大小。思考問題：如何進行放大倍數調諧？完成后靈敏度、量程如何？通過實際電路調試后和測試標定數據對比！！4.濾波電路模塊

濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。在壓力傳感器中，由于震動、聲音、溫度等環境因素都可能在系統中引入噪聲并通過放大器進行放大，將會嚴重干擾電路的正常輸出，因此，我們需要引入濾波器模塊，用來剔除一定頻率范圍外的噪聲。一般需要測試的壓力變化頻率比較小，而噪聲的頻率可能很高，所以我們選用低通濾波器進行濾波。以下為幾種低通濾波器的頻率響應圖：4.1濾波電路模塊芯片選用及設計

上圖中濾波器的頻率響應圖分別為巴特沃斯濾波器（左上）和同階第一類切比雪夫濾波器（右上）、第二類切比雪夫濾波器（左下）、橢圓函數濾波器（右下）。其中巴特沃斯濾波器的通頻帶的頻率響應曲線最平滑，我們選用的MAX291為8階巴特沃思低通濾波器，在通頻帶內，它的增益最穩定，波動小，主要用于儀表測量等要求整個通頻帶內增益恒定的場合。

MAX291濾波器的時鐘信號既可由外部時鐘直接驅動也可由內部振蕩器產生。通過調整時鐘，截止頻率的調整范圍可以達0.1Hz~25kHz。使用外部時鐘時，無論是采用單電源供電還是雙電源供電，CLK可直接和采用+5V供電的CMOS時鐘信號發生器的輸出相連。通過調整外部時鐘的頻率，可完成濾波器拐角頻率的實時調整。當使用內部時鐘時，振蕩器的頻率由接在CLK端上的電容VCOSC決定：MAX291波器既可用單電源工作也可用雙電源工作。雙電源供電時的電源電壓范圍為±2.375～±5.5V。在實際電路中一般要在正負電源和GND之間接一旁路電容。當采用單電源供電時，V-端接地，而GND端要通過電阻分壓獲得一個電壓參考，該電壓參考的電壓值為1/2的電源電壓。MAX291允許的輸入信號的最大范圍為V--0.3V~V++0.3V。一般情況下在+5V單電源供電時輸入信號范圍取1V~4V。±5V雙電源供電時，輸入信號幅度范圍取±4V。如果輸入信號超過此范圍，總諧波失真THD和噪聲就大大增加；同樣如果輸入信號幅度過小（VP-P＜1V），也會造成THD和噪聲的增加。通過調節放大電路的參考電壓，可以使上級輸出與濾波器輸入匹配。思考問題：如何進行濾波截止頻率調諧？進行模擬計算？通過實際電路調試后和測試標定數據對比！！設計任務：電路原理圖和PCB版圖。通