陶瓷電容式智能壓力變送器結(jié)構(gòu)原理

摘要:設(shè)計(jì)了一種基于智能型陶瓷電容式壓力變送器,給出了其信號(hào)獲取裝置(雙電容陶瓷壓力傳感器)的制備原理、信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)以及單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)。其中,軟件程序主要解決了非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償問(wèn).題,提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:研制的變送器線性誤差小于0.42%,遲滯誤差小于0.48%,零點(diǎn)溫漂系數(shù)低于2.4x10^-4mA/℃.
1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和原理
　　智能型陶瓷電容式壓力變送器的基本工作原理是:前端壓力傳感器作為信號(hào)獲取裝置將外界壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)輸出;信號(hào)調(diào)理電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓信號(hào);輸出,起到電容/電壓轉(zhuǎn)換作用;單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行智能處理,包括非線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)?將處理后所得的數(shù)字電壓信號(hào)交于AD421電路和LCD顯示;AD421電路將單片機(jī)輸出數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成4~20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
 
1.1雙電容陶瓷壓力傳感器的設(shè)計(jì)原理
　　雙電容陶瓷壓力傳感器是依據(jù)變隙式工作原理,應(yīng)用厚膜工藝制成的感壓元件,其外觀如圖2所示。
 
　　基板和膜片均為陶瓷制品(其主要化學(xué)成分為Al203),通過(guò)厚膜絲網(wǎng)印刷工藝將鈀銀電極(Pd-Ag電極)漿料印制在基板和膜片:上;利用環(huán)形低溫玻璃將陶瓷蓋板和彈性膜片電極粘接成一體,經(jīng)烘干和高溫?zé)Y(jié)便形成了一個(gè)非充液空氣介質(zhì)的電容器。由于陶瓷膜片邊緣固定在陶瓷基座上,周邊支撐,受力時(shí)中間形變大,邊緣形變小，電容量輸出具有非線性并騏靈敏度降低,為減少溫度影響和邊緣效應(yīng),設(shè)計(jì)時(shí)在陶瓷膜片上設(shè)置圓形的單電極作為公共電極,陶瓷基板上設(shè)置雙電極并使面積相等,構(gòu)成同軸環(huán)狀的雙電容傳感器。中心為測(cè)量電容Cp,邊緣環(huán)形為參考電容Cr,Cr,的外側(cè)是固支邊。雙電容結(jié)構(gòu)大大減小了傳感器系統(tǒng)的非線性誤差,同時(shí)在環(huán)境溫度變化時(shí),由于兩電容感受同一溫度的變化，溫度對(duì)它們所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是一致的,這就減小了因溫度引起的測(cè)量誤差,起到了溫度自補(bǔ)償作用。
1.2傳感器信號(hào)調(diào)理電路
　　AD7745的主要功能是完成電容-數(shù)字電壓轉(zhuǎn)化，直接將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào),送人單片機(jī)處理。AD7745的外圍電路如圖3所示,CIN1(+)和CIN1(-)引腳與EXCA引腳之間分別接感壓元件的雙電容(參考電容和測(cè)量電容),采用差分方式輸人;SDA、SCL引腳為Pc總線接口輸出,輸出數(shù)字電壓信號(hào);RDY引腳低電平有效，每個(gè)信號(hào)下降沿表明信號(hào)傳輸完畢，新數(shù)據(jù)處于可傳輸狀態(tài)。
 
1.3單片機(jī)基本系統(tǒng)
　　單片機(jī)采用MSP430F447,其周?chē)€設(shè)計(jì)了顯示模塊、鍵盤(pán)等。MSP430F447單片機(jī)作為智能處理單元，主要任務(wù)是對(duì)前端傳感器和信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以提高數(shù)據(jù)可靠性,并進(jìn)行非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償?shù)鹊玫嚼硐霐?shù)據(jù)。得到的理想數(shù)據(jù)交下一級(jí)輸出信號(hào)處理單元處理,同時(shí)在LCD顯示屏上顯示。
1.4輸出信號(hào)處理單元
　　AD421是數(shù)模轉(zhuǎn)化電路。它以串行方式的16位數(shù)字信號(hào)為輸人,經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化后以4~20mA電流輸出。系統(tǒng)中AD421外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。
 
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),可靠性、通用性好，且易于修改擴(kuò)展。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)啟動(dòng)后,主程序完成各種初始化工作。系統(tǒng)的各種具體功能由如下各種中斷處理子程序構(gòu)成:鍵盤(pán)去抖子程序、冒泡排序子程序、查表子程序、液晶顯示控制子程序等。系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖5所示。
 
　　在系統(tǒng)正常工作時(shí),由各鍵盤(pán)按鍵觸發(fā)中斷,系統(tǒng)判別各中斷,執(zhí)行各種具體功能。
2.1鍵盤(pán)去抖子程序
　　鍵盤(pán)去抖子程序是為了確認(rèn)按鍵按下的可靠檢測(cè)程序。該程序的設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)可靠性的提高,在實(shí)現(xiàn)上主要通過(guò)一段時(shí)間的延遲后再次檢測(cè)按鍵的狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)。
2.2數(shù)據(jù)處理子程序
　　數(shù)據(jù)處理子程序?qū)σ恍《螘r(shí)間內(nèi)采集到的多個(gè)數(shù)據(jù)濾除最大值和最小值,然后統(tǒng)計(jì)計(jì)算其算術(shù)平均值,并通過(guò)查表法進(jìn)行非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。因此,在數(shù)據(jù)處理子程序的編寫(xiě)前,須通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取傳感器非線性曲線和溫度漂移曲線,以便制備查表數(shù)據(jù)。
2.3液晶顯示控制子程序
　　在該子程序中仍然有各種初始化工作,主要是初始化各種顯示控制寄存器以及設(shè)置各種信號(hào)參數(shù)，例如幀信號(hào)頻率等,使LCD顯示屏與LCD控制器匹配工作。
3變送器實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　　變送器實(shí)驗(yàn)采用活塞式壓力計(jì)作為施壓和測(cè)壓設(shè)備,采用電容測(cè)試儀作為電容測(cè)量裝置,采用精度高電流表作為輸出電流測(cè)試裝置,采用溫度實(shí)驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)溫度控制裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖6、圖7所示。
 
　　圖6說(shuō)明輸出電流與外加壓力有很好的線性關(guān)系,非線性誤差小,最大不超過(guò)0.42%,并且曲線中加壓、減壓的輸出-輸人正反行程曲線重合得很好,幾乎分辨不出加壓、減壓曲線印跡,遲滯誤差小于0.48%。其主要原因是前端傳感器的正確測(cè)量和后端智能單元的非線性補(bǔ)償。
　　圖7說(shuō)明傳感器零位輸出隨溫度變化曲線斜率很小,不超過(guò)2.4x10^-4mA/℃.其主要原因是智能處理單元的溫度補(bǔ)償。
4結(jié)束語(yǔ)
　　利用厚膜傳感技術(shù)研制厚膜陶瓷電容壓力傳感器,在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了雙電容感壓元件,同條件下測(cè)試電容和參考電容所產(chǎn)生的溫度效應(yīng)是一.致的,溫度影響可以相互抵消,精度高。智能化的信息處理,模塊化的軟件處理提高了系統(tǒng)的可靠性和通用性。產(chǎn)品體積小、精度高,不但可以測(cè)量工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)壓力參數(shù),還可以間接測(cè)量液位、位移等參數(shù),具有廣泛的使用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。