一種高精度壓力傳感器的設計與實現

李彥芳，楊曉斌，鄭 璐，劉 珂

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

一種高精度壓力傳感器的設計與實現

李彥芳，楊曉斌，鄭 璐，劉 珂

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

基于飛行試驗中壓力測試需求，通過研制高精度的壓力傳感器，來實現壓力的精確測試，保證型號任務的完成。從航空測試應用的角度出發，論述了高精度壓力傳感器的設計思想和實現方法。針對影響傳感器性能的重要誤差指標，進行校準技術研究，使壓力傳感器實現智能化自校準功能；通過進行電磁兼容設計，進一步提升了壓力傳感器的環境適應性。

壓力傳感器；高精度；實時自校準；電磁兼容

高精度壓力傳感器是航空領域應用非常廣泛的傳感器，如何使壓力傳感器在特殊的測試環境中保持高的測量精度，傳感器的性能設計成為研究關鍵。在進行壓力傳感器設計時，須考慮以下幾點關鍵技術[1]。

1）傳感器的測量精度

壓力傳感器作為測量系統的關鍵組成部分，其精度影響到整個環節的準確性；只有通過高精度的傳感器，與之匹配的高分辨率采集系統才能夠產生高精度的數據。在傳感器的設計中，提高精度是一項重要的研究內容。

2）傳感器的環境適應能力

當壓力傳感器應用于航空測試時，環境的影響有可能是造成測量誤差的最大原因。工作環境面臨溫度劇變、低氣壓、振動、加速度等。傳感器的環境適應性是實現準確測量的關鍵。

3）傳感器的電磁兼容性能

隨著航空技術的發展，精密電子設備在飛行器上的應用日益增多，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，并且不對外界設備產生干擾，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的限制，需要能夠承受機載電源的波動影響，以及承擔定量分配的可靠性指標[2]。

1　壓力傳感器工作原理

依據典型的測量系統的結構，將壓力傳感器設計為由壓力敏感元件、信號調理電路和電源電路等功能模塊構成的結構。壓力敏感元件的主要功能是對被測壓力進行檢測和轉換，把非電量轉換為電量值。信號調理電路的功能為對第一級的測量信號進行調整，變成便于控制處理的標準信號。電源電路將外部供電電源轉換為二次電源，供信號調理電路使用。

2　傳感器設計

2.1壓力敏感元件選用

壓力敏感元件的構成原理有壓阻式、壓電式、諧振式等多種方式，其中利用半導體的壓阻效應制成的壓阻式敏感元件應用最為廣泛。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指標有：非線性、遲滯、重復性及漂移誤差等。常用的總精度計算方法為非線性、遲滯、重復性三項誤差的均方根[4]。隨著微機械加工技術的發展，壓阻式敏感元件能夠獲得良好的可重復性、低遲滯性和長期穩定性（遲滯和重復性誤差屬于離散分布的隨機誤差，具有隨時間變化的不穩定性[5]），在實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傳感器實時智能自校準設計

溫漂和非線性補償的傳統方法在模擬域進行，方法復雜、效果差。在文中的設計方案中，采用可編程信號調節器PGA309，通過智能化的模擬-數字混合信號調理技術對傳感器進行線性修正及溫度補償，解決了敏感元件的固有誤差問題，使壓力傳感器實現了實時智能自校準，有效提升了精度和環境適應性。

壓力傳感器信號調理電路設計圖如圖2所示。該電路通過運算放大器構建恒流源，對壓力敏感元件進行激勵，并采用可編程模擬信號調節器PGA309，將壓力敏感元件輸出的微小信號放大后進行線性化處理，對系統溫度漂移誤差進行修正，同時實現溫度測量、輸出過量程限制、故障檢測、數字化校準等功能[6]。

圖2　壓力傳感器信號調理電路圖

2.2.1溫漂校準設計

基于實際測量產生壓力傳感器的數學模型，如式（1）所示，傳感器與溫度和輸入壓力之間的關系用N階多項式描述[7]。該模型用于計算產生相對于溫度的補償系數。

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

通常需要使用3個N階多項式建立測量值的N×N×N數組以擬合模型[8]。可以用7個測量值擬合所有的7個模型參數。校準傳感器需要對3個溫度點的零位和滿量程的溫度漂移誤差進行二階曲線擬合。利用標定好的低溫、常溫、高溫3個點的零位及滿量程輸出數據，可構建一組分為多段的校準系數，代表傳感器的漂移補償量。校準系數分為17段，以溫度采樣轉換的結果作為索引值，按最小讀數到最大讀數的順序來創建，數值單調遞增以實現查詢功能，各數據點之間使用線性內插法獲取校準系數。

壓力傳感器的溫漂校準與增益調整相結合而進行。增益功能通過3步來完成：前端調整、增益細調、輸出放大。其中，增益細調通過16位的增益DAC控制，與之類似，零位調整通過16位的零位DAC實現。在每一次溫度ADC轉換完成后，校準系數信息被讀取，增益DAC和零位DAC的值被更新。PGA309與存儲器間的通訊通過標準總線SDA、SCL實現。

2.2.2非線性校準設計

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

PGA309內部設計有一條專用于電源激勵和線性化的環路。該非線性校準電路將傳感器的輸出電壓按一定比例反饋至線性化DAC，經過線性化系數調整，與參考電壓乘以比例系數后的值相加，形成激勵信號再作用于壓力敏感元件，以實現非線性誤差校準。線性化環路有兩個有效范圍以提供傳感器非線性和參考電壓的多種組合。線性化調整的反饋系數使用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。線性化系數為正負雙極性，可以補償正或負的非線性。

2.3電磁兼容設計

在傳感器設計中，采用了濾波、去耦、屏蔽等設計方法，使傳感器的電磁兼容性能及用電適應性得到了有效保證。

傳感器的電源濾波器設計如圖3所示，通過LC濾波網絡完成共模干擾抑制及差模干擾抑制；通過瞬態抑制器使鉗位電壓為連續工作電壓的1.5～2倍，以抑制瞬態干擾[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級降額設計[11]。器件封裝選用表面貼裝型，以取得最小的寄生參數。濾波電容器的介質優選溫度系數和電壓系數相對穩定的損耗性介質（如X7R）；儲能去耦電容選擇自感較小的片式固體鉭電容器，用來補償電源線及地線結構上發生的電流突變，以保證工作電源電壓的穩定。

在設計電路PCB圖時，通過EMC設計提高印制電路板的抗擾度，如：使電路中的電流環路盡量保持最小[12]，避免長距離平行走線及走線寬度避免突變等[13]。在傳感器結構設計時，外殼體采用全金屬電磁屏蔽設計，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　可靠性預計

根據壓力傳感器的功能單元，建立可靠性框圖，根據各部件的可靠性邏輯關系，可以建立一個串聯可靠性模型，按指數型失效分布計算可靠度，根據元器件計數可靠性預計法，計算其失效率的數學表達式如式（2）所示[15]。

式中：λS：設備總失效率，10-6/h；λGi：第i種元器件的通用失效率，10-6/h；πQ：第i種元器件的通用質量系數；Ni：第i種元器件的數量；n：設備所用元器件的種類數目。

元器件失效率預計表見表1。

據此計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間（MTBF）為：

表1　壓力傳感器元器件失效率預計表

滿足實際應用需求。

4　產品的主要技術性能指標

壓力傳感器實現的主要性能指標如表2所示，經過測試，傳感器的性能指標滿足設計要求，實現了預期的研制目標。

表2　指標要求與實際達到指標對比表

5　結束語

文中從航空測試需求的角度出發，提出了高精度壓力傳感器的設計思想，給出了壓力傳感器實時智能自校準的實現方法及電磁兼容設計方法。通過采用智能化的模擬-數字混合信號調理技術，解決了壓阻式傳感器的溫度漂移和非線性等問題，修正了針對航空環境應用的重要誤差指標，使壓力傳感器具有良好的環境適應性。通過采用濾波、去耦、屏蔽以及PCB的EMC設計等方法，使壓力傳感器的電磁兼容性能得到了有效提升。

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[7]Art Kay，Mikhail Ivanov，Viola Schaffer.A Practical Technique for Minimizing the Number of Measurements in Sensor Signal Conditioning Calibration，2005.

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[15]GJB/Z 299C-2006.電子設備可靠性預計手冊[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2006.

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：201511170

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