一種高精度壓力傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李彥芳，楊曉斌，鄭 璐，劉 珂

（中國飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

一種高精度壓力傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李彥芳，楊曉斌，鄭 璐，劉 珂

（中國飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

基于飛行試驗(yàn)中壓力測試需求，通過研制高精度的壓力傳感器，來實(shí)現(xiàn)壓力的精確測試，保證型號(hào)任務(wù)的完成。從航空測試應(yīng)用的角度出發(fā)，論述了高精度壓力傳感器的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。針對影響傳感器性能的重要誤差指標(biāo)，進(jìn)行校準(zhǔn)技術(shù)研究，使壓力傳感器實(shí)現(xiàn)智能化自校準(zhǔn)功能；通過進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了壓力傳感器的環(huán)境適應(yīng)性。

壓力傳感器；高精度；實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)；電磁兼容

高精度壓力傳感器是航空領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的傳感器，如何使壓力傳感器在特殊的測試環(huán)境中保持高的測量精度，傳感器的性能設(shè)計(jì)成為研究關(guān)鍵。在進(jìn)行壓力傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)[1]。

1）傳感器的測量精度

壓力傳感器作為測量系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其精度影響到整個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性；只有通過高精度的傳感器，與之匹配的高分辨率采集系統(tǒng)才能夠產(chǎn)生高精度的數(shù)據(jù)。在傳感器的設(shè)計(jì)中，提高精度是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。

2）傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力

當(dāng)壓力傳感器應(yīng)用于航空測試時(shí)，環(huán)境的影響有可能是造成測量誤差的最大原因。工作環(huán)境面臨溫度劇變、低氣壓、振動(dòng)、加速度等。傳感器的環(huán)境適應(yīng)性是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵。

3）傳感器的電磁兼容性能

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，精密電子設(shè)備在飛行器上的應(yīng)用日益增多，布局更加密集，使電磁兼容的問題顯得更加突出。為使傳感器能夠正常工作，并且不對外界設(shè)備產(chǎn)生干擾，需要提高傳感器的電磁兼容能力。

此外，航空用壓力傳感器受到安裝空間類型、尺寸與靜載荷分配指標(biāo)的限制，需要能夠承受機(jī)載電源的波動(dòng)影響，以及承擔(dān)定量分配的可靠性指標(biāo)[2]。

1　壓力傳感器工作原理

依據(jù)典型的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將壓力傳感器設(shè)計(jì)為由壓力敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路和電源電路等功能模塊構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。壓力敏感元件的主要功能是對被測壓力進(jìn)行檢測和轉(zhuǎn)換，把非電量轉(zhuǎn)換為電量值。信號(hào)調(diào)理電路的功能為對第一級(jí)的測量信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，變成便于控制處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電源電路將外部供電電源轉(zhuǎn)換為二次電源，供信號(hào)調(diào)理電路使用。

2　傳感器設(shè)計(jì)

2.1壓力敏感元件選用

壓力敏感元件的構(gòu)成原理有壓阻式、壓電式、諧振式等多種方式，其中利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成的壓阻式敏感元件應(yīng)用最為廣泛。如圖1所示，壓阻式敏感元件通過硅膜片上的等臂差動(dòng)惠斯登全橋作為敏感檢測電路，以獲得最高的靈敏度和最高的輸出線性度[3]。

衡量傳感器性能的主要技術(shù)指標(biāo)有：非線性、遲滯、重復(fù)性及漂移誤差等。常用的總精度計(jì)算方法為非線性、遲滯、重復(fù)性三項(xiàng)誤差的均方根[4]。隨著微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，壓阻式敏感元件能夠獲得良好的可重復(fù)性、低遲滯性和長期穩(wěn)定性（遲滯和重復(fù)性誤差屬于離散分布的隨機(jī)誤差，具有隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定性[5]），在實(shí)際使用中需要解決的主要問題是溫度漂移和非線性。

圖1　典型的惠斯登全橋

2.2傳感器實(shí)時(shí)智能自校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

溫漂和非線性補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)方法在模擬域進(jìn)行，方法復(fù)雜、效果差。在文中的設(shè)計(jì)方案中，采用可編程信號(hào)調(diào)節(jié)器PGA309，通過智能化的模擬-數(shù)字混合信號(hào)調(diào)理技術(shù)對傳感器進(jìn)行線性修正及溫度補(bǔ)償，解決了敏感元件的固有誤差問題，使壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)智能自校準(zhǔn)，有效提升了精度和環(huán)境適應(yīng)性。

壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。該電路通過運(yùn)算放大器構(gòu)建恒流源，對壓力敏感元件進(jìn)行激勵(lì)，并采用可編程模擬信號(hào)調(diào)節(jié)器PGA309，將壓力敏感元件輸出的微小信號(hào)放大后進(jìn)行線性化處理，對系統(tǒng)溫度漂移誤差進(jìn)行修正，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度測量、輸出過量程限制、故障檢測、數(shù)字化校準(zhǔn)等功能[6]。

圖2　壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路圖

2.2.1溫漂校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

基于實(shí)際測量產(chǎn)生壓力傳感器的數(shù)學(xué)模型，如式（1）所示，傳感器與溫度和輸入壓力之間的關(guān)系用N階多項(xiàng)式描述[7]。該模型用于計(jì)算產(chǎn)生相對于溫度的補(bǔ)償系數(shù)。

K（P，T）是傳感器相對于激勵(lì)電壓的靈敏度，它是兩個(gè)變量（輸入壓力P和溫度T）和7個(gè)系數(shù)的單值函數(shù)，系數(shù)n0～n6是模型參數(shù)。

通常需要使用3個(gè)N階多項(xiàng)式建立測量值的N×N×N數(shù)組以擬合模型[8]。可以用7個(gè)測量值擬合所有的7個(gè)模型參數(shù)。校準(zhǔn)傳感器需要對3個(gè)溫度點(diǎn)的零位和滿量程的溫度漂移誤差進(jìn)行二階曲線擬合。利用標(biāo)定好的低溫、常溫、高溫3個(gè)點(diǎn)的零位及滿量程輸出數(shù)據(jù)，可構(gòu)建一組分為多段的校準(zhǔn)系數(shù)，代表傳感器的漂移補(bǔ)償量。校準(zhǔn)系數(shù)分為17段，以溫度采樣轉(zhuǎn)換的結(jié)果作為索引值，按最小讀數(shù)到最大讀數(shù)的順序來創(chuàng)建，數(shù)值單調(diào)遞增以實(shí)現(xiàn)查詢功能，各數(shù)據(jù)點(diǎn)之間使用線性內(nèi)插法獲取校準(zhǔn)系數(shù)。

壓力傳感器的溫漂校準(zhǔn)與增益調(diào)整相結(jié)合而進(jìn)行。增益功能通過3步來完成：前端調(diào)整、增益細(xì)調(diào)、輸出放大。其中，增益細(xì)調(diào)通過16位的增益DAC控制，與之類似，零位調(diào)整通過16位的零位DAC實(shí)現(xiàn)。在每一次溫度ADC轉(zhuǎn)換完成后，校準(zhǔn)系數(shù)信息被讀取，增益DAC和零位DAC的值被更新。PGA309與存儲(chǔ)器間的通訊通過標(biāo)準(zhǔn)總線SDA、SCL實(shí)現(xiàn)。

2.2.2非線性校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

傳感器非線性校準(zhǔn)采用模擬-數(shù)字相結(jié)合的方式解決，是充分利用原電路和系統(tǒng)資源的典型應(yīng)用[9]。壓力傳感器對于線性輸入的響應(yīng)近似為二階。若未校準(zhǔn)的傳感器特性曲線為向上凹或向下凹的形狀，通過使系統(tǒng)響應(yīng)為反方向，使二階非線性得以抵消。

PGA309內(nèi)部設(shè)計(jì)有一條專用于電源激勵(lì)和線性化的環(huán)路。該非線性校準(zhǔn)電路將傳感器的輸出電壓按一定比例反饋至線性化DAC，經(jīng)過線性化系數(shù)調(diào)整，與參考電壓乘以比例系數(shù)后的值相加，形成激勵(lì)信號(hào)再作用于壓力敏感元件，以實(shí)現(xiàn)非線性誤差校準(zhǔn)。線性化環(huán)路有兩個(gè)有效范圍以提供傳感器非線性和參考電壓的多種組合。線性化調(diào)整的反饋系數(shù)使用7位的DAC完成。通過確定傳感器的非線性度，可以得到線性化DAC的值即線性化系數(shù)。線性化系數(shù)為正負(fù)雙極性，可以補(bǔ)償正或負(fù)的非線性。

2.3電磁兼容設(shè)計(jì)

在傳感器設(shè)計(jì)中，采用了濾波、去耦、屏蔽等設(shè)計(jì)方法，使傳感器的電磁兼容性能及用電適應(yīng)性得到了有效保證。

傳感器的電源濾波器設(shè)計(jì)如圖3所示，通過LC濾波網(wǎng)絡(luò)完成共模干擾抑制及差模干擾抑制；通過瞬態(tài)抑制器使鉗位電壓為連續(xù)工作電壓的1.5～2倍，以抑制瞬態(tài)干擾[10]。

圖3　電源濾波器電路圖

傳感器所使用的電子元器件均采用Ⅰ級(jí)降額設(shè)計(jì)[11]。器件封裝選用表面貼裝型，以取得最小的寄生參數(shù)。濾波電容器的介質(zhì)優(yōu)選溫度系數(shù)和電壓系數(shù)相對穩(wěn)定的損耗性介質(zhì)（如X7R）；儲(chǔ)能去耦電容選擇自感較小的片式固體鉭電容器，用來補(bǔ)償電源線及地線結(jié)構(gòu)上發(fā)生的電流突變，以保證工作電源電壓的穩(wěn)定。

在設(shè)計(jì)電路PCB圖時(shí)，通過EMC設(shè)計(jì)提高印制電路板的抗擾度，如：使電路中的電流環(huán)路盡量保持最小[12]，避免長距離平行走線及走線寬度避免突變等[13]。在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，外殼體采用全金屬電磁屏蔽設(shè)計(jì)，并盡量減小端面配合間的孔隙，以防止靜電耦合干擾、低頻磁場干擾及高頻場的干擾[14]。

3　可靠性預(yù)計(jì)

根據(jù)壓力傳感器的功能單元，建立可靠性框圖，根據(jù)各部件的可靠性邏輯關(guān)系，可以建立一個(gè)串聯(lián)可靠性模型，按指數(shù)型失效分布計(jì)算可靠度，根據(jù)元器件計(jì)數(shù)可靠性預(yù)計(jì)法，計(jì)算其失效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2）所示[15]。

式中：λS：設(shè)備總失效率，10-6/h；λGi：第i種元器件的通用失效率，10-6/h；πQ：第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；Ni：第i種元器件的數(shù)量；n：設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

元器件失效率預(yù)計(jì)表見表1。

據(jù)此計(jì)算得到壓力傳感器的工作失效率為：

壓力傳感器的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為：

表1　壓力傳感器元器件失效率預(yù)計(jì)表

滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

4　產(chǎn)品的主要技術(shù)性能指標(biāo)

壓力傳感器實(shí)現(xiàn)的主要性能指標(biāo)如表2所示，經(jīng)過測試，傳感器的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的研制目標(biāo)。

表2　指標(biāo)要求與實(shí)際達(dá)到指標(biāo)對比表

5　結(jié)束語

文中從航空測試需求的角度出發(fā)，提出了高精度壓力傳感器的設(shè)計(jì)思想，給出了壓力傳感器實(shí)時(shí)智能自校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法及電磁兼容設(shè)計(jì)方法。通過采用智能化的模擬-數(shù)字混合信號(hào)調(diào)理技術(shù)，解決了壓阻式傳感器的溫度漂移和非線性等問題，修正了針對航空環(huán)境應(yīng)用的重要誤差指標(biāo)，使壓力傳感器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。通過采用濾波、去耦、屏蔽以及PCB的EMC設(shè)計(jì)等方法，使壓力傳感器的電磁兼容性能得到了有效提升。

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Design and implementation of the high precision pressure sensor

LI Yan-fang，YANG Xiao-bin，ZHENG Lu，LIU Ke
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China）

According to the pressure test requirements in flight test，the pressure can be accurately tested by the development of high-precision pressure sensor so as to ensure the completion of flight test mission.The design and implementation methods of high-precision pressure sensor is proposed to meet aviation testing requirements.Research on calibration technology of pressure sensor for existing error in the application is developed.By correcting inherent errors，the sensor has intelligent realtime self-calibration function.Design of electromagnetic compatibility greatly improve the environmental adaptability of pressure sensor.

pressure sensor；high-precision；real-time self-calibration；electromagnetic compatibility

TN06

A

1674－6236（2016）22-0161-03

2015-11-18稿件編號(hào)：201511170

李彥芳（1981—），女，山西忻州人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：航空傳感器設(shè)計(jì)。