改善智能壓力傳感器系統性能的設計

劉澤楷

河南省鞏義區第二高級中學東區分校

改善智能壓力傳感器系統性能的設計

劉澤楷

河南省鞏義區第二高級中學東區分校

通過對改善智能壓力傳感器設計的論述，在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對改善智能壓力傳感器性能進行了探究。在著重論述通過改善硬件來提高傳感器性能的基礎上，闡明了提高系統實施性的措施，及提高系統維護性的方法。本論文提出的改善智能壓力傳感器系統性能的設計，具有精度高、智能化程度高，可靠性好等特點。

壓力傳感器；智能；系統性能；優化

1 緒論

1.1 智能壓力傳感器概述

1.1.1 壓力傳感器的定義

壓力傳感器是檢測壓力信號并將其轉換為電信號的裝置，具有檢測氣體、液體、固體等物質間作用力能量的功能。壓力傳感器有許多種類，按工作原理可分為：電容式和電感式等；按使用材料可分為：金屬壓力傳感器和半導體壓力傳感器等。

1.1.2 智能壓力傳感器的定義

智能壓力傳感器是具有較強信息處理能力的壓力傳感器,智能壓力傳感器的信息處理能力就是指具有信息檢測、信號處理、信息記憶、邏輯思維判斷的功能。智能壓力傳感器主要應用來檢測壓力，并將其轉換為電信號，進行遠距離傳輸并輸出數值量。它廣泛應用于工業生產、軍事國防等多個領域，常常作為一種自動化控制的前端元件。由于智能壓力傳感器具有很強的數據收集、處理、傳輸能力，因此被廣泛應用于多種生產、生活環境。

1.1.3 智能壓力傳感器的功能和特點

智能壓力傳感器大部分具有以下主要功能：

人機對話功能：

智能壓力傳感器可與計算機、儀表等器件組合在一起，配合操作人員指導工作，及時進行修改，減少操作失誤和讀數失誤。

自動診斷功能：

智能壓力傳感器通過具有診斷功能的軟件，自動對傳感器和系統工作狀態進行檢測，并及時發現故障，以維持系統穩定性，這是智能壓力傳感器的重要功能。

數據處理功能：

智能壓力傳感器能對各個被測數據進行測量，并可以根據已知被測數據通過計算的方法判斷該數據的準確性，并能夠根據工作環境和自身條件分析判斷并進行自動切換量程、自動調零、自動修正等。

此外，智能壓力傳感器還具有軟件組態、接口、信息存儲和記憶等功能。

智能型壓力傳感器的特點：

智能型壓力傳感器具有高性能價格比、高信噪比和高分辨率、適應性強、精確度高、設計制造簡單，使用維修方便、高可靠性和高穩定性等特點。

1.2 智能壓力傳感器的研究現狀

智能傳感器的概念，是美國航天部門在開發宇宙飛船過程中首次提出的。因為宇宙飛船中需要獲得各種各樣的信息，而要處理眾多的由傳感器獲得的信息，需要大量的計算機，這在宇宙飛船上是不現實的。因此，需要一種能解決這些問題的傳感器，所以就出現了智能傳感器。

目前我國對智能壓力傳感器的研究己趕上或者接近世界先進水平，主要研究成果，如表1所示：

表1

1.3 研究的目的和意義

目前智能壓力傳感器在技術方面還一定問題，如：智能壓力傳感器的系統穩定性能不夠，硬件設施上的主要原因是：電源、元器件、電源線和地線等干擾。另外，在大量干擾的情況下，也會造成系統軟件損壞。因此，需要通過硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對智能壓力傳感器性能進行改善。

1.4 本論文主要研究的內容

在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對改善智能壓力傳感器性能進行探究。在著重論述通過改善硬件來提高傳感器性能的基礎上，闡明提高系統實施性的措施，及提高系統維護性的方法。

主要研究內容如下：

（1）在硬件抗干擾方面從電源、元器件、電源線和地線等方面進行改善。

（2）在軟件抗干擾方面在故障異常處理方法、掉電措施等方面提高系統性能。

1.5 本章小結

本章首先論述了智能壓力傳感器相關概念及功能特點，然后介紹了智能壓力傳感器的優化過程的發展及現狀，接著介紹了論文的主要研究目的及意義，最后介紹了論文的主要研究內容。

2 具體抗干擾措施

壓力傳感器在工業、農業、國防建設、教育事業、科學研究以及日常生活中的使用非常廣泛。但在實際應用中會發現壓力傳感器有時測量不夠精準，或者信號的輸出不穩定，這一般是因為受到干擾源的干擾。壓力傳感器一旦受外界干擾，那么它的數據準就不夠精準，其應用效果也會收到影響。

壓力傳感器的干擾源主要包括靜電感應、漏電流感應、電磁干擾、射頻干擾、其他干擾等幾方面。由于干擾的來源多，影響復雜，我們必須從多個角度考慮，采取多種方法來提高壓力傳感器的抗干擾性。可以采用硬件抗干擾措施，在此基礎上應用軟件抗干擾技術，兩者相互配合，改善壓力傳感器的性能，使其測量精度和可靠性達到更高的要求。

2.1 硬件抗干擾措施

2.1.1 電源抗干擾

采用性能好、抗干擾能力強的供電系統，盡量減少從電源引入的干擾。當電路采用交流電源供電時，可在電路中串聯電容較小的電容器，防止低頻電流的干擾。也可以在電路中加入一個高頻扼流圈，防止高頻電流的干擾。同時可利用交流穩壓電源，既能保證供電系統的穩定，又能防止電壓過高或過低，有利于系統的穩定性。當電路采取直流電源供電時，可在電路中加入保護二極管，防止電源線反接對電路元器件造成損壞。

2.1.2 印制板電路的抗干擾

印制電路板，又稱印刷電路板，是電子元器件電氣連接的提供者。用電路板的主要優點是大大減少布線和裝配的差錯，提高了自動化水平和生產勞動率。其布局與布線將直接的影響可靠性。在設計電路板時，相關部件盡可能靠近，大型散熱部件放置在易于通風散熱的位置。由于信號線之間會產生電磁干擾，所以要進行科學設計。為避免高頻干擾，在印制電路版中，加入一定阻礙高頻信號的元器件。采用光電或電磁隔離強、弱電，利用電磁屏蔽等有效措施，提高系統的電磁兼容性。選擇良好的接地方式，當系統既有模擬電路又有數字電路時，模擬電路和數字電路應有各自獨立的空間布局。盡量使用多層板，電源線和地線要盡量加寬。為了避免數字地與模擬地彼此干擾，兩者要分開接地，最后只有一點連接。在印制板上,表面貼裝部件盡量就近接地,關鍵部位配置去耦電容，焊點錯開排列，以確保所有焊點周圍的電源平面和接地面在整個范圍內是連續的，印制電路板上信號的走向按順序前進,沒有逆行通道。

2.1.3 雙絞屏蔽電纜長線傳輸

為了避免信號在傳輸過程中產生發電場、磁場和接地阻抗等干擾，可以采用接地屏蔽雙絞線減少干擾。雙絞線與同軸電纜相比，雖然頻段差，但是波阻抗高，抗共模噪聲能力強，能使每一小部分的電磁干擾互相抵消。在長距離傳輸過程中，通常采用差分信號傳輸來提高抗干擾性能。

2.1.4 屏蔽

屏蔽是抗干擾的有效方法，屏蔽可以解決兩個問題：一是限制內部輻射電磁越出導致信號不穩定,二是防止外來的輻射進入影響數據的準確性。在發射源和傳感器之間加入金屬屏蔽體,會減少傳感器收到干擾。屏蔽的有效性與屏蔽材料的自身特性有關。如：材料的導電率、導磁率、厚度等。另外，干擾源頻率、干擾源到屏蔽體的距離,以及屏蔽體上可能存在的各種不連續形狀和數量等也會影響屏蔽的有效性。所以設計時考慮以下幾個方面：1、高頻電場屏蔽采取有效措施來得到最大的反射損耗,如以銅、鋁等作為導體；2、低頻磁場屏蔽采取有效措施來得到最大的穿透損耗,如使用鐵和鎳鐵高導磁材料；3、多重屏蔽加強屏蔽效果和擴大屏蔽的頻率范圍；4、配合面要清潔,沒有不導電表層。

2.2 軟件抗干擾措施

2.2.1 輸入數字信號抗干擾

在數字信號輸入中，因為操作或外部干擾，會導致狀態變化，導致錯誤判斷。例如，操作按鈕，電觸點閉合或斷線時有抖動現象，如果沒有對應的措施，可能會產生錯誤。對于數字信號，干擾信號是毛刺狀，時間的作用很短。有了這個特點，在收集數字信號時，可以重復多次采集，直到兩次或多次收集的結果一致。如多次采集后信號總是不穩定的，可以停止采集，給出報警信號。對于數字信號采集不能使用多重平均法，而是比較兩個以上的采集結果是否一樣。為了滿足實時要求，要根據信號的特性，設置適當的數字信號延遲，以滿足不同寬度的干擾信號。每次采集的最大次數和連續次數可以根據實際情況進行調整。

2.2.2 掉電保護

智能壓力傳感器系統在工作時，瞬時斷電或電壓突然下降將導致系統損壞，如數據丟失，程序跑飛等。因此，掉電保護至關重要。在軟件中，應該設置掉電保護中斷服務程序，以便系統及時響應掉電。在掉電中斷服務程序中，首先注意現場保護，重要的狀態參數、中間結果，一些片內存儲器的內容都存入有備用電池的RAM中。隨后相關外圍設備進行適當的處理，如關閉輸入和輸出，使外圍設備處于非工作狀態。最后，將特定標簽存儲在RAM的一個或兩個單元中，作為掉電標簽，然后進入掉電保護工作狀態。當電源恢復正常時，CPU復位，復位首先檢查是否有掉電標記，若有，則此時復位為掉電保護之后的復位，根據電源中斷服務程序以相反的方式恢復現場，以合理的方式確保系統完成未完成的工作。

2.3 本章小結

本章分別介紹了硬件抗干擾和軟件抗干擾方法，主要從改善傳感器的電源、印制板電路、屏蔽、雙絞線等硬件設施，以及利用輸入數字信號、掉電保護等方法，改善智能壓力傳感器的性能。

3 總結與展望

壓力傳感器抗干擾是一個復雜又具有實踐性的問題，干擾是由許多因素引起的。因此，在提高智能壓力傳感器的性能設計上，我們不僅要采取硬件抗干擾措施對傳感器的電源、印制板電路、屏蔽、雙絞線傳輸等方面進行改進，也要采取軟件抗干擾措施不斷改進抗干擾能力，提高傳感器的精確性。

為克服傳統壓力傳感器的不足，本文在在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個層面上對改善智能壓力傳感器性能進行了探究。

本論述雖然達到了預期的效果，但由于時間倉促和本人實際經驗的缺乏，還存在一些不足之處，并且受客觀條件的限制，思路也有局限性，還有許多地方需要完善。

[1]韓麗娜.智能壓力傳感器的研究.山東科技大學

[2]王洪巖，王濱，智文虎.壓力傳感器的電磁干擾及其解決方法.信息產業部電子第四十九研究所.

[3]崔淑琴.智能壓力傳感器的研究.哈爾濱理工大學

[4]常一帆.智能壓力傳感器系統設計.西北工業大學自動化學院.

[5]孫亞楠.軟件抗干擾技術.陜西西安第二炮兵工程學院研三隊.

劉澤楷，男，高中生，學習理科，興趣廣泛，愛好物理、歷史、文學，旅行、圍棋，對物理學科的喜愛尤為突出，在校物理成績優秀，課余時間也學習了解過有關物理、電子、自動化等方面的書籍，進行過與壓力傳感器相關的專利設計，在學校期間多次獲得三好學生、優秀學生、文明學生等榮譽稱號。