压力传感器篇1

关键词：压力传感器；形变；有限元分析；位移

中图分类号：TB125文献标识码：A文章编号：1006-8937（2016）33-0072-02

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，压力传感器广泛应用于工业生产的许多行业，它的误差大小直接影响到测控系统的性能。由于目前的压力传感器一般是以弹性元件的形变指示压力，因此在使用过程中整个压力传感器会产生变形，由于其制作的材料等不同其形变也不同，因此在使用之前需对其进行分析，特别是使用在测量物体形变和受力关系的系统上，其自身形变可能会导致测量结果出现严重误差。本文结合一款S型压力传感器，使用COMSOL有限元分析对其受力情况下自身的形变进行有限元分析，得出相关数据，并分析出此传感器的受压最大位移点和正向受力面的各点线型图。

1传感器材料及仿真模型的建立

1.1传感器材料模型

S型压力传感器主要采用合金钢材料，其材料属性，见表1。

1.2传感器几何模型与有限元模型

传感器几何模型采用三维几何模型，用外部CAD软件绘制出尺寸一致的三维体，然后导入到COMSOL软件中，对其进行边界约束和施加载荷面等设置后，进行网格化处理。为了降低计算机的计算成本，加快模型求解速度，可采用自由四面体网格进行实体域网格划分，其三维几何模型和有限元网格，如图1所示，其中四面体单元总数为25924，三角形单元总数为9510，边单元总数为1632，顶点单元总数为56。

1.3载荷和边界条件

在图1（a）三维几何模型中，施加载荷面在最上方，施加方向为Z轴反方向，即力的方向为从上往下压，在后面分析形变的时候重点监测的点即为几何模型中标注的6个。施加载荷大小为传感器的测量范围：0～100N，载荷施加在三维模型的载荷施加面。在模型的最下方的为固定约束面，对其施加位移约束。

2有限元分析结果

通过上述模型通过COMSOL计算处理后，得到的物体形变情况，如图2所示。

从形变图中可以看出，当S型传感器在受到正上方压力的时候，其形变最大点再上端侧面处，施加载荷50N时，其位移形变为17.1439um。

三维模型中监测点的形变线图，如图3所示。

从监测点的位移情况发现，S型压力传感器下端的变形较小，而上端变形较大，4号位置接近最大位移点，在接近最大载荷时，其形变位移达到0.03mm，最上面直接受力点2在最大载荷情况下达到0.025mm。

监测点1-6的分析数据，见表2。

通过上述数据和图形可以得出，在S型压力传感器上施加载荷，会使其自身产生形变，位移大小在0.03mm，即在系统中产生的位移误差为0.03mm。其位移基本呈线性状态，因此在使用此类传感器时，如果测量的精度要求很高，就可以考虑利用线性位移的特性对其形变进行数据矫正，提高系统测量数据精度，减小误差。

3结语

利用COMSOL有限元进行传感器特性的分析，简单有效，省去了复杂的公式推导，减少了分析的时间，降低了分析中可能出现误差的可能性。在进行传感器形变分析中可以得到形变的最大位移的位置，可以分析各点在载荷情况下的形变情况，为系统使用传感器提出指引，同时可以看出S型传感器在载荷情况下的形变线性度很好，为系统测量的后期数据处理提供帮助。

参考文献：

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压力传感器篇2

关键词压力传感器微机电迈克尔逊干涉仪光的干涉

中图分类号：TN929.11文献标识码：A

1设计方案

本设计采用将压力/压强信号转化为易测的光信号的方案，通过检测激光强度的手段检测压力/压强的大小。此方案在传感器的响应速度和集成性上做出创新。如图1所示，本设计由压力变形和光学检测两个单元构成。在压力变形部分中，我们采用微机电薄膜获得压力/压强引起的变形。此微机电薄膜是一种微米量级的硅材料薄膜，拥有对压力/压强敏感性高，体积小易于集成的有点。收到外力压迫将产生微米量级的形变。在光学检测部分中，我们采用迈克尔逊干涉仪将被分开的两束同源光波进行干涉。光波A到检测器的路径恒定，而光波B到检测器的路径受微机电薄膜的形变影响。因此，光束A和B的干涉强度受形变决定。所以，对干涉波的强度检测，能够确定薄膜的形变，进而推算出压力/压强大小。

图1：压力传感器系统的压力变形（右）和光学检测（左）单元

2工作原理及性能分析

2.1微机电薄膜的形变

本设计中的微机电薄膜采用在电子芯片中广泛应用的硅材料。在硅基片上刻蚀出凹槽形成薄膜，然后将凹槽密封。因此，在外界的压力作用下，薄膜将向内凹陷。此外，薄膜上镀有一层金属反射面，用以反射光束。根据文献，半径为r，厚度为t的圆状薄膜在压强p的作用下，形成的中心形变x可以表示为

（1）

其中D为薄膜的屈曲刚性，可以表示为

（2）

其中E为硅材料的杨氏模量约190GPa，v为硅材料的横向变形系数0.25，h为薄膜厚度，代入（1）、（2）式可得

2.2迈克尔逊干涉仪的工作

如图1左部分所示，迈克尔逊干涉仪中，从同一光源出发并由分光计分开的两束光进行干涉。两束光的传播路径差决定了干涉强度。在薄膜无形变时预设为加强干涉，那么在薄膜形变x时光强为

其中I0为单束光强，为光波长。上式为周期的函数，假设波长为9.25×10-4mm，则单调下降区间为0～GPa，其中h和a的单位为毫米。现讨论两组参数：（1）h=0.1mm，a=1mm；（2）h=0.05mm，a=1mm。因此

I1的单调下降区间为0～510-4GPa，I2的为0～0.62510-4GPa，此即两种参数下的测量范围。设I0为1，则光强如图2所示，

图2

两组参数相比较，第一种参数可测范围大，而第二种参数灵敏性高（这里灵敏性我们定义为单位压强差变化对应的干涉强度的变化量）。

压力传感器篇3

关键词:MEMS;压力传感器;温度控制;零点漂移

中图分类号:TN911.7;TN86文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)14-0157-02

DesignofTemperatureControlSystemforPressureSensors

GUOJiang

(CollegeofInformationEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,China)

Abstract:AtemperaturecontrolsystemfortheSiCMEMSpressuresensorisdesignedasthepressuresensorissusceptibletohightemperature,andeasytoresultinzerodrift,andmeasurementerrorincrease.AmathematicalmodelforthesystemisestablishedaccordingtoCohen-Coonformula.Andfinallyatemperaturecontrolsystemisachievedwiththeparameterself-tuningPIDcontrolalgorithmtoovercometheshortcomingofalargeovershootadjustmentofpurePIDcontrol.TheSimilinkmodulesimulationmodelwassetupbytheMatlabSimulationsoftwaresystem.Thesimulationandtestingverifiesthatthesystemcanmeetthedesigndemands.Thepressuresensorishardtobecompensatedwithinalargetemperaturerangeissolved,withwhichtheapplicationofthepressuresensorinhightemperatureenvironmentsisachievedandthestabilityofthepressuresensorisimproved.

Keywords:MEMS;pressuresensor;temperaturecontrol;zerodrift

0引言

在微电子器件领域,针对SiC器件的研究较多,已经取得了较大进展,而在MEMS领域针对SiC器件的研究仍有许多问题亟待解决。在国内,SiCMEMS的研究非常少,因而进行SiC高温MEMS压力传感器的研究具有开创意义。碳化硅(SiC)具有优良的耐高温,抗腐蚀,抗辐射性能,因而使用SiC来制作压力传感器,能够克服Si器件高温下电学、机械、化学性能下降的缺陷,稳定工作于高温环境,具有光明的应用前景。

然而当外界温度较大时,压力传感器受温度影响精度不高,会产生零点漂移等问题,从而增大测量误差。于是尝试加工一个腔体,把压力传感器和温度传感器放置在里面形成一个小的封闭腔体,在外界温度较高或较低的情况下,用加热装置先升温到几十度并维持这一温度,给压力传感器做零点补偿,提高压力传感器的测量精度。这样就克服了在大温度范围难以补偿的问题。本文对这个温度控制系统提出了解决方案,采用了PID参数自整定控制,模糊控制属于智能控制方法,它与PID控制结合,具有适应温控系统非线性、干扰多、时变等特点[1-3]。

1硬件系统

用放置在腔体内的温度传感器测量恒温箱内的温度,产生的信号经过放大后输出反馈信号,再用单片机进行采样,由液晶显示恒温箱内的温度,并通过温度控制算法控制加热装置。所使用的单片机为STC125408AD,自带A/D转换、EPROM功能,内部集成MAX810专用复位电路(外部晶振20MHz以下时,可省外部复位电路),ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片[4]。硬件结构框图如图1所示。

图1温度控制系统硬件系统结构框图

2系统的控制模型

电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用┮唤转惯性环节描述温控对象的数学模型[5-8]。

G(S)=K/(t′S+1)(1)

式中:K为对象的静增益;t′为对象的时间常数。

目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号,测取过程对象的阶跃响应,然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩(cohen-coon)公式确定近似传递函数。

cohn-coon公式如下:

K=ΔC/ΔM

t′=1.5(t0.632-t0.28)

式中:ΔM为系统阶跃输入;ΔC为系统的输出响应;t0.28为对象上升曲线为0.28ΔC时的时间(单位:min);t0.632为对象上升曲线为0.632ΔC时的时间(单位:min);从而求得K=0.96,t′=747s。所以恒温箱模型为:

G(S)=0.96/(747S+1)(2)

3系统的控制模型仿真及实验结果

纯PID控制有较大超调量;而纯模糊控制由于自身结构的原因又不能消除稳态误差,稳态误差较大。所以,考虑把它们两者相结合,实现优势互补。本论文采用参数模糊自整PID控制[9-10]。

使用该模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统,如图2所示。

图2参数模糊自整定PID控制系统仿真结构框图

温度控制系统对应仿真结果如图3所示。

从上面的仿真结果表明:调节时间ts约为460s,稳态误差ess=0,超调量σ%=0。虽然仿真环境不可能与实际情况完全相同,但它的结果还是具有指导意义的。

图3给定值为80℃时温度控制系统的响应曲线

在实际测试中前10min每30s采样一次,后10min每200s采样一次,测得实验结果如表1所示。

表1测试结果

时间/s温度/℃时间/s温度/℃

017.136078.0

3019.339078.9

6026.242080.0

9033.345080.0

12042.648080.2

15054.351080.1

18064.754080.2

21072.357080.1

24083.160080.0

27082.380080.0

30080.0100079.9

33079.1120080.0

用Matlab软件处理表1中的测试数据,绘制成变化趋势图,如图4所示。

图480℃时温度控制系统的实验结果

图4为80℃时系统测得的实验结果,由实验结果表明,在实际测量中仍然有较小的超调量和稳态误差,但是基本接近仿真结果,不能排除一些干扰因素。仿真毕竟是在理想的环境下进行的。

4结语

本文设计了一种用于压力传感器的温度控制系统,针对压力传感器在高温下易产生零点漂移等问题,加工了恒温封闭腔体,把压力传感器置入其中,通过控制系统控制腔体内的温度,解决了高温压力传感器大温度范围难以补偿的问题,从而可以提高测量精度,通过仿真和实验相印证,本方案是可行的。

参考文献

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压力传感器篇4

关键词：拖线阵，压力传感器

1.引言

压力传感器种类繁多，广泛应用于各个行业，常用的压力传感器感知探头上的压力变化，通过电路转换并引入相关补偿，将力信号转化为电信号，从而测得所在位置处的外界压力。

拖线阵是一种拖曳在舰艇远后方水域、可变深的大孔径线状声纳，通常比重与海水相当。拖线阵内部布置有各种声学和非声学传感器，以及相应的采集传输系统和电源系统。一般拖线阵内需要布置若干个压力传感器来获取拖线阵在水中运动时的深度信息。拖线阵内部需要填充液体或固体介质，以便使拖线阵保持一定形状并满足密度要求。

2.压力传感器的传统封装方式

在拖线阵中，传统的封装方式是将压力传感器浸没于护套内的填充介质中。拖线阵外界压力作用在护套上，通过介质传递到压力传感器探头，来测量拖线阵外部压力并转换为深度。

P=P0+Pm(1)

其中——

P：压力传感器探头测得的压力值；

P0：拖线阵外界的真实压力；

Pm：拖线阵护套、介质等因素产生的压力变化。

对于内部填充液体介质的拖线阵而言，液体可以视为不可压缩，压力可以在其内部传播，Pm主要受护套材料、初始充油压力影响。在拖线阵中制作过程中为了使护套外观更接近于圆形，或为了满足密度设计要求，会存在一个初始油压Pm（0.1~0.4MPa），由于聚氨酯护套会在一定温度和受力状态下发生蠕变，因此Pm是一个变化量，需要经常性地对传感器输出进行测量，扣除Pm的影响，来使得P接近P0。。

为了测量传统方式下对Pm压力传感器输出的影响，制作了一条试验阵，内部按照传统方式布置了一个压力传感器，然后静置在空气中。。该压力传感器输出如图1所示，可以看到在长时间存放过程中，由于护套发生蠕变、膨胀，护套内部填充介质压力下降，导致压力传感器的输出值显著减小。拖线阵实际使用过程中，会受到轴向拉伸和径向压力，再加上高温等因素影响，Pm变化更加明显，需要经常性测量该输出值，来对传感器输出公式进行修正，非常不便。

图1传统方式传感器输出随时间变化

对于固体阵而言，如果将传感器探头浸没于固体填充材料中，由于固体填充材料自身具有一定的弹性模量，会影响外界压力向传感器探头的准确传递，此时传感器测得的压力值和变化均与外界环境真实情况有较大差异。

由此可见，传统的压力传感器封装方式在液体拖线阵中由于护套蠕变等影响，需要定期校准，在固体拖线阵中则难以测得真实值，这些都影响了它的实际应用。。

本文提出一种新的压力传感器封装方式，可以准确测量拖线阵所在位置的压力，从而得到真实深度。

3.压力传感器新的封装方式

按照前文分析，导致压力传感器传统封装方式不能精确测量外界压力的根本原因在于，压力传感器探头未能与外界环境直接接触，中间存在的若干环节阻碍了压力的真实传递。针对这一根本原因，新的封装方式采用传感器探头直接与外界接触，可以准确测量外界压力。

新的封装方式如图2所示，在不改变现有传感器型号的前提下，使传感器探头直接与外界介质接触，同时解决了由此带来的密封问题。

图2新封装方式示意图

同样制作了一条试验阵，在新的封装方式下，压力传感器在空气中的输出如图3所示，由于不再受到内部填充介质的影响，压力传感器的输出稳定，其输出可以真实反映外界介质压力。为了验证新的封装方法的密封可靠性，进行了静态加压试验，最大压力达到3MPa，如图4所示。

图3新方式传感器输出随时间变化

图4新方式静态压力试验

在动态拖曳过程中，护套外流体边界层的动态压力变化也会被传感器感知，由于新的封装方式需要在光滑护套上加装两道金属圆环，并在护套上开孔，会影响护套表面的压力分布，因此需要在动态拖曳试验中对此影响进行评估。将两个同型号的传感器布置在同一条拖线阵中，分别采用传统封装方式和新封装方式，以便在相同状态下进行对比。

图4和图5分别是9m/s速度下传统方式封装方式和新封装方式的的测量结果，可以看到新的封装方式由于护套不光顺引起的压力变化（波动幅值）并不明显（传统方式输出均值较小是因为没有对其进行校准）。

图4传统封装方式动态拖曳数据

图5新封装方式动态拖曳数据

4.结论

压力传感器对于水下运动的拖线阵而言非常重要，是操作人员了解拖线阵工作深度的重要途径，其数值直接参与信号处理，传感器数出值是否真实有效直接影响声纳性能。本文提出了拖线阵中压力传感器的一种新的封装方式，并得到了以下结论：

（1）传统封装方式下，在液体拖线阵中由于护套发生蠕变，需要经常对传感器输出进行校准来使输出接近真实值；在固体拖线阵中，由于填充材料自身弹性模量的影响，传感器的输出值与真实情况会有较大差异。而新的封装方式将传感器探头直接与外界介质接触，从根源上避免了传统封装方式的缺点。

（2）新的封装方式需要使传感器探头直接与外界介质接触，会带来密封问题，本文提出的方法对此进行了有效解决，并在静态压力试验中进行了验证。

（3）动态拖曳试验中，表面金属圆环及开孔的存在并没有明显影响压力传感器输出，本文提出的新方法在动态拖曳中也可以满足使用要求。

新的封装方式克服了传统方式的弊病，能够真实反映外界介质的压力变化，不再需要经常性的校准，密封性能可靠，满足动态拖曳的需要，可以代替传统封装方式应用到拖线阵中。

压力传感器篇5

1．1传感器激励的设计硅压阻式压力传感器内部结构为惠斯通电桥结构，可在恒压或者恒流模式下工作。由于硅压阻式传感器很容易受到温度的影响产生漂移，在恒压模式下随着温度的变化，传感器本身电阻R的变化会对信号产生影响，因此，选择恒流源作为传感器的激励［6］。传感器激励源的稳定与噪声大小直接影响着压力敏感元件的输出，因此，在确保低温漂、低噪声、驱动能力强的选型原则下，选择ADR4525基准源、AD8506运放构建驱动电路以及反馈电路。图2所示为传感器激励原理框图。

1．2温度补偿电路的设计温度补偿电路用于对温度发生变化时，敏感元件和构成信号调理电路各主要元器件的输入输出特性的补偿，温度补偿电路提供两类误温度漂移补偿:零点温度漂移补偿与灵敏度温度漂移补偿［7］。理想传感器的输出量与输入量关系。补偿的原理为将b，k调整到精确的某个值，最大限度消除温漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非线性成分。

1．2．1零点温度漂移补偿由温度引起零点变化而造成输出变化的元器件中，压力敏感元件所占比重最大，对零点补偿原理如图3所示，温度检测元件的输出作为补偿端与待补偿信号做加减运算［8］，最终输出信号即为零点补偿后输出。该部分设计中，温度检测元件选择温度传感器AD590，AD590封装下、测量范围宽、输出线性，输出信号噪声仅为40pA，补偿信号不引入更多的噪声;同时由于温度传感器的输出以电流的形式输出，因此，需要通过高精密电阻器将其转换为电压信号后，与待补偿信号做加减运算，电阻器阻值的大小根据测量的零点漂移大小计算。

1．2．2灵敏度温度漂移补偿随着温度的变化传感器的满量程输出也会随之变化(即增益发生变化)，从输出来看，该变化可归一为压力敏感元件的灵敏度发生变化，此时，需对传感器的增益特性进行温度补偿。补偿原理如图4所示，温度检测元件检测到温度变化后，及时调整激励源的基准［9］，调整策略与增益温度特性互补，即增益降低，则增强激励源的基准，由激励源输出相应的恒流;同时可在敏感头的桥臂上串、并联电阻器调整增益特性。

1．3信号调理电路的设计信号调理电路用于将压力传感器输出的差分信号进行放大、滤波，原理图如图5所示。压阻式传感器输出的电压信号大多为mV级，采用仪表放大器AD8553对传感器输出的信号进行放大，AD8553为轨到轨输出，最大失调电压仅为20μV，在频响0．01～10Hz范围内噪声峰峰值为0．7μV，其中，R应大于3．92kΩ;同时由于SM5420输出的为差分信号，在仪表放大器的输入端需要添加抗射频干扰的滤波电路，如图5所示，若仪表放大器输入前滤波电路匹配不佳，输入的某些共模信号将转换为差模信号，因此，通常情况下所选的C2至少比C1或者C3大10倍，用于抑制滤波电路不匹配带来的杂散差分信号;基准源ADR4525为仪表放大器提供2．5V的参考电压，用于调整信号的零位。仪表放大器的输出信号需要进行滤波处理，这里采用MAX295芯片进行滤波，该芯片为8阶巴特沃斯滤波器，操作简单，只需提供输入时钟CLK则可任意控制滤波器的截止频率，输入时钟频率与截止频率的关系为50︰1。

1．4数据采集电路设计该部分电路主要是将补偿后的模拟信号通过A/D转换器AD8330将其转换成数字信号，AD8330为16位采样精度，采样率最高可达1MHz;采用已经使用成熟的微型处理器C8051F410进行数据采集和处理，微控制器通过SPI接口采集到量化后信号，同时通过RS—485总线转USB适配器与计算机进行通信。

2传感器标定与测试结果

压力传感器的标定主要是对零点和灵敏度的标定。将压力传感器安装到压力腔体内，共同放入高低温试验箱，打开高低温试验室箱并设置11个间隔均匀的温度值，在不同的温度梯度下使用压力泵对压力腔体打压，并记录压力传感器在零位和满量程时的输出值，采用最小二乘法对记录的值进行拟合［12］，得到传感器的零点温度漂移值和灵敏度温度漂移值。根据得到的值调整补偿电路使传感器的输出满足要求。将经过补偿后的压力传感器放入高低温试验箱，高低温试验室箱内温度设置为25℃，在量程范围内设置10个均匀的压力测试点，将测试结果记录到表1中，采用最小二乘法拟合数据得到补偿后的传感器静态特性。通过Matlab拟合后得到传感器输入与输出的线性关系式为y=0．020x+2．454，如图6(a)所示;经过计算传感器的静态特性为非线性误差为0．043%，迟滞为0．062%，重复性为0．027%，精度为0．085%，如图6(b)所示，最大误差位于点0kPa处，偏差为0．00154V，故非线性度小于1．54/(20．29×175)=0．043%，满足设计的要求。在测试的过程中，由于一天当中大气压强的变化测试结果会受到影响。

3结束语