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扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现.doc

扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现

liang中峰
2017-09-16 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现doc》,可适用于战略管理领域

扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现西北工业大学硕学付论文摘要摘要利用硅的压阻效应和微电子技术制作的扩散硅力敏传感器是近,,年来发展非常迅速的一种新型传感器。扩散硅传感器以其灵敏度输出高动态响应好测量精度高稳定性好易于小型化和批量生产等优点广泛地应用于石油、化工、冶金、电力等行业。但由于半导体的温度特性传感器的性能要受温度的影响而发生变化而现有的技术水平还无法生产没有温度漂移的传感器所以温度补偿一直是扩散硅压力传感器研究和生产的一个关键技术问题。本文首先从半导体原理及电路原理方面论述了扩散硅压力传感器零点及灵敏度温度漂移产生的原因然后介绍了几种常用的软件补偿方法并进行了简单比较。在此基础之上提出扩散硅压力传感器温度补偿系统的实现方案。系统以高性能微处理器,,,,,,,和,,,,,,,,,为设计核心由数据采集电路、数据处理电路、电源电路、外围接口电路等组成的节点模块。,,,,,,负责压力与温度信号的采集和,,转换,,,,,,,,,负责数据处理与外部通信。采用先查表后插值的办法分两步对扩散硅压力传感器的非线性和温度漂移特性进行补偿。实验数据表明补偿后扩散硅压力传感器的非线性由补偿前的,(,,,,降低到,(,,,,,以内。温度零点漂移和温度灵敏度漂移也有显著降低该补偿系统的补偿效果是十分明显的。同时扩散硅压力传感器连接该节点模块后输出信号由模拟信号转换为数字信号采用,,,,,总线通信提高了传输距离和抗干扰能力可以直接与,机与智能仪表相连接并且具有多只传感器组网功能。使传统的压力传感器能够在工业自动化中进行多点远程精密测量和控制。该设计方法成本低软硬件设计简洁功能全面补偿效果明显、扩展灵活等优势并且有较高的集成度和可靠性利于安装、调试和检测在自动化数据采集和控制中具有广泛的应用前景具有深入研究和应用价值。关键词:压力传感器扩散硅单片机温度漂移温度补偿西北工业大学硕士学位论文,,,,,,,,,,,,,,,,,,,缸,,,,,,,,,,糟,,,,,,幽,,,,,,,,,,,,,,,,,,“,,锄,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,船,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(),圮,,,,,,,,,硒,,锣,,,,,,,,,,,,,,姗,,,,,,,,,,,鹊,,,,,,,,,土】,,,,,,,,,鹪,,伐,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,椋,咖,,,,’,训,,,削,,,萄,,,,,盯,,,,,,,,,,觚,,,盱,,,,墙(,,,,,,,,,,,,,,廿,,,,,,,,,,,,,训,,,,衙,,,,,,喻粼,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,锄,,,,,,,,,,,,,鹏(,,,,,,,,,,他,,,,,,、,,,,,,,,锄,蹦,鹏,,,,缸’,,,,,,,,雠,,,,,,,,,,,酆,,,,,,,,,,,,,,,土,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,代,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,眦,,,,,,,,盯,,,瑚,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,诳,,,,,,,,,,栅,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,丘,,,,,,,,,,,,,‘曲,,,,,粕,,,,,,,幽,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,),,锄,西,,,,,,,,,,,,,撕,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,鹏,,,,,,,,,,,,,,,,,,,锄胁,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,伊,,,,,,,,,廿,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,觚,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,锄,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,印,,(,,,,,咖,,,勰,,,,,讪,,〕响,锄,,,,眦,,昀,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,?,,,,,,,,,也,,,,,,,,,,,,,,血,,榭,,诚,,,,,,,,,,,,,,施,,,,,锄,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,锄,,,,,,,,,鹏,,,,,【,,,,,,,,,,,,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,唱,,,,,印,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,锄,,,,,,,,,,,,,,,,,,,芏,,,,唧,,,,,,,,,,,,,,彻,,,,,,,,,,,,,,,撕,,锄,把叫婶,,,,阳“,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,撕,,,,丘,,,(,,,,,,,(,,,,,,,,甜,,,),,,,,,,,,,,,,,,龇,,,,,,时,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,锄,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,酬。唧,,,琊,,,,仃,,,,,,,,,,,,,,,锄,,,,,们,,锄,,,,锄,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,趾,,,,,,【,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,仃呦,,,,,璐崦,,,,,,,,,,,,,,,臼,,,,,,,,,,,,,,眦,,,,,,姐,,,,,,,,,,,,,,,,咖,,,,,,,吼,,,,蚰,,曲『,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,船,,,,,,,,,,,,,,,,,,,嬲,,,,,,,,,,,,,,,,、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,儿,,,,劬,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,彘,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,乒,,,,,,,,,协,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,协,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,觚,、析,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,?,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,晷,西北工业大学硕士学伊论文,,,仃,,,,,,,,,,:,,韶蛐,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,’,,,,,,,,,阳,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,西北工业大学业学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名:,,逸谴指导教师签名:王溘盆渺,月彤日游月,日西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料若有不实愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名:浏选益枷,年月彤日西北工业大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论传感器是将被测的非电物理量(如压力、重量、力矩、应变、位移、速度、加速度、振动、温度等)转换成与之对应的、易于精确处理的电量(如电流、电压等)输出的一种测量装置。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术也是当代科学技术发展的一个重要标志它与通信技术和计算机技术构成现代信息产业的三大支柱。传感器是信息采集系统的首要部件几乎应用于所有的技术领域。由于大规模集成技术的高速发展计算机、通信技术已经过关并已普及到各行各业和千家万户惟独传感器尚处于落后状态形成瓶颈工业谁掌握了这项关键技术谁就为高新技术和自动化的高速发展铺平了道路【,,】。,(,压力传感器的国内外发展现状在工业生产过程中温度、流量、压力、位移是最常见的工业参数其中压力参数的检测显得尤为重要应用最为面广量大。据日本电气计测器工业协会对过程传感器(温度、流量、压力、位移、密度等)的生产和销售进行的统计压力类传感器占整个过程传感器的三分之一强而且其比例还在继续加大以此为基础的压力类测量及变送仪表也在过程控制系统中占有很高的比例。它们在石油、化工、火电厂、冶金等工业部门得到了广泛的应用【,,,。在,,,,年美国,,,,,,,,,公司推出了全世界第一台智能化现场仪表,,,,,,,,,,系列同时日本的,,,,,,公司推出,,,,,,,,智能压力传感器研制出压阻式多功能传感器用微处理器及软件补偿提高了测量精度减小了温漂并且有故障自我诊断和数字通讯遥控调整功能。,,,,年美国,,,,,,,,,公司又推出了,,,,,,一,,,系列智能压力传感器它是在,,,,,,,,,系列的基础上增加了较完善的自诊断功能双向通讯功能。在此期间美国,,,,,,,,,公司推出了姒,,协议(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,寻址远程传感器数据线)德国,,,,公司推出,,,,,,协议。同期,,,,,,,,公司、,,,,,,公司、,,,,,,,,,,,,公司也推出了功能类似的工业级产品其中部分产品由当时的中国电子器材总公司引进国内曾在一些重要部门应用。这时军事领域开始装备智能传感器。,,,,年以后智能压力传感器特别是智能差压传感器得到了较快的发展以美国,,,,,,,,,公司为代表的西方国家不但开发了全数字技术和远程组态系统而且推西北工业大学硕士学位论文第一章绪论出了多种型号的现场控制系统,,,。,,年代后我国将传感器的研究放在重要位置上并取得了显著成果,,,,年河北工业大学研制了,,,一,型智能压力传感器它可长期稳定地工作在环境温度变化较为频繁的场所,,,,年西安交通大学电子信息工程学院综合自动化研究所为三峡工程研制了体积小于国内电流、电压输出型固态压力传感器并且有防水、防尘和抗震能力的智能压力传感器口,】,,,,年哈尔滨工业大学微电子教研室研制了在压力传感器芯片上集成温度敏感元件制成的压力一温度多功艽衅鳎秤柚悄芑墒迪执笪露确段诘娜砍萄沽π藕诺奈露补偿,,,,年湖南长沙索普测控技术有限公司研制的纳米压力传感器获成功产品整体性能超过美国超微传感器实现了传感器在高温、高压等恶劣环境下的长期稳定性和可靠性提高了传感器精度等级、温度特性等各方面性能指标。,,,,年“耐高温压力传感器”经过,年攻关西安交大研制成功该硅隔离耐高温微型压力传感器能在一,,,,,,。,环境下进行压力测量可完成,,,,,,,以下任意量程范围的压力测量能承受,,,,。,瞬时高温冲击性能指标达到国际先进水平。虽然在某些方面己赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看我国的传感器技术的研究和生产还比较落后与国外有较大差距目前的传感器无论在数量上、质量上和功能上还远远不适应社会多方面发展的需要。主要是:品种不全、产量过低、温度范围较小、长期稳定性与可靠性较差、集成度不高随着国内市场需求量越来越大大量压力传感器需要进口特别是高精度产品。,(,压阻式压力传感器简介压力传感器应用范围广种类繁多按照测量压力范围不同可分为:微压传感器、低压传感器、高压传感器、超高压传感器。按工作原理来分类可以分为:压阻式压力传感器、电容式压力传感器、电感式压力传感器、压电式压力传感器、智能式压力传感器等。用所使用的材料对压力传感器进行分类:金属压力传感器、半导体压力传感器、金属一氧化物压力传感器、光学压力传感器等【,川可根据测量对象可分为:表压、绝对压力、差压等。,(,(,压阻式压力传感器的发展硅的压阻效应是,,,,年由,(,(,,,,,首先发现,,,,年贝尔实验室研制出硅力敏电阻此后压阻传感器开始问世【,,,。西北工业大学硕士学位论文第一章绪论压阻效应:沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时它的电阻率会发生显著变化这种现象称为半导体的压阻效应。利用半导体材料的压阻效应制成的传感器称为压阻式传感器。目前使用最多的是单晶硅半导体。详细的公式推倒及原理在本论文中不作介绍在相关的教材与资料中大都已作出分析。压阻压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器之一压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器。单晶硅不仅是最广泛使用的半导体材料也是力学性能十分优良的弹性材料。硅材料的单晶结构使压阻式压力传感器的迟滞极小重复性极好硅的压阻系数较大使用温度范围较宽。这类传感器随着硅集成电路平面工艺的完善而得到高度的发展现在已经广泛用作高灵敏度高精度的微型真空计绝对压力计流速计流量计声传感器气动过程控制器等。它在生物医疗航天海洋工程原予能等各种尖端科技和工业领域等都有着广泛的前途。这类传感器具有灵敏度高动态响应快测量精度高稳定性好工作温度范围宽易于小型与微型化便于批量生产与使用方便等特点。因此它是一种发展迅速应用广泛的新型传感器【,,】。早期的压阻式压力传感器是利用半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器它的传感器元件是用半导体材料体电阻制成的粘贴式应变片,,世纪,,年代以后压阻式压力传感器发展成为在硅片的应变敏感部位扩散出阻值相同的条在压力作用于其上时硅膜片产生应变从而使电阻条变形输出一个与压力呈正比的线性化电压信号称为扩散硅式压力传感器。由于四差动臂惠特斯通电桥具有最高的灵敏度、最好的温度补偿性能和最高的输出线性度因此在压力测量中电阻条通常连接成等臂、等电阻应变率的四差动臂惠特斯通电桥。本文将对此种压力传感器的温度特性进行研究。由于压力的原因硅晶体的电阻发生变化变化的大小与受到的压力大小有关同时与材料本身的压阻系数有关。影响压阻系数最主要因素是环境温度和扩散杂质的表面浓度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小。表面杂质浓度低时压阻系数随温度升高而下降较快提高表面杂质浓度压阻系数下降随温度升高而变慢。,(,(,压阻式扩散硅传感器的特点扩散硅传感器与其它类型的传感器相比有许多优点:(,)频率响应高。由于没有活动部件其本身就是一个固定部件因此固有频率很高。目前扩散硅传感器的固有频率达,(,洲,以上这一特点对于系统的动态西北工业大学硕士学位论文第一章绪论测量是十分重要的。(,)体积小可微型化。由于采用了集成电路的工艺方法因而硅膜片敏感元件可做得很小这就使传感器结构微型化。传感器的外径一般可达,(,舳最小可,(,,,这是其它类型传感器目前还达不到的。(,)精度高。它没有传动机构造成的摩擦误差也消除了一般传感器中金属膜片或应变计粘贴时因蠕变、迟滞产生的误差所以大大提高了传感器的精度。目前扩散硅传感器精度一般在,(,,,,(,,,之间最高可达,(,,,。(,)灵敏度高。它比金属应变计的灵敏度高很多倍有些场合可不加放大器。(,)由于扩散硅传感器无活动部件所以它工作可靠、耐振、耐冲击、耐腐蚀、抗干扰能力强可工作在恶劣的环境条件中。扩散硅传感器也存在如下一些不足之处:(,)由于扩散硅传感器是用半导体材料制作的受温度影响较大因而在温度变化大的环境中使用时必须进行温度补偿。(,)工艺比较复杂对研制条件要求高而严格尤其是烧结、封装工艺而其成本较高。,(,(,对扩散硅压力传感器进行温度补偿的意义在对压阻式压力传感器的研究方向中包括开发耐高温及用于微机械加工的压力传感器还有一个重要的研究方向是温度漂移的补偿在实际应用当中压阻式压力传感器的确面临着温度补偿问题。压阻式压力传感器会受到温度的影响导致零点漂移和灵敏度漂移它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。零位漂移是因为扩散电阻阻值随温度改变而发生变化。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时薄层电阻小温度系数亦小反之薄层电阻增加温度系数增大。由于工艺上的原因难于使,个桥臂电阻温度系数完全相同因此不可避免的要产生零位漂移。所以适当提高表面杂质浓度可以减小温度系数进而减小零位漂移。但是过高的杂质浓度会降低传感器的灵敏度,,,,。压阻式压力传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度改变而引起的。当温度升高时压阻系数减小反之则增大。所以当温度升高时传感器灵敏度降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度压阻系数随温度变化要小一些但传感器的灵敏度同样会降低。因此对压阻式压力传感器进行温度补偿在实际应用当中显得相当重要。,西北工业大学硕士学位论文第一章绪论,(,扩散硅压力传感器温度补偿研究现状在对压阻式压力传感器的温度误差补偿这一领域里国外一直都走在前列早在多年前就己经有人在从事这方面的研究并取得了很大的进步提出了很多种不同的补偿方法并己将某些研究成果应用于相关的生产实践中。例如美国著名的传感器公司,,,,,,公司就基于相关的补偿方法研制出了一套补偿系统并己经应用于生产但是这个系统跟一台专用的计算机捆绑销售而且其价格十分昂贵每台售价大约要,,万美元瞄,。在国内近年来在这方面的理论研究也取得了很大的进步如沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片的温度灵敏度自补偿工艺但是都苦于没有一个精确的、可方便的应用于生产实践数学模型来计算补偿电阻的大小难以实现在生产线上快速自动的补偿效率不高刚。由于温度是影响压力传感器线性度的主要原因温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题近年来发表此方面的论文也比较多归纳起来有两大类:(,)硬件补偿:在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法桥臂热敏电阻补偿法桥外串、并联热敏电阻补偿法双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。(,)软件补偿:软件补偿是将微处理器与压力传感器结合起来充分利用丰富的软件功能、结合一定的补偿算法对传感器温度的附加误差进行修正。软件补偿的算法有曲线拟合法和表格法。曲线拟合法又可分为最佳拟合直线法和多项式曲线拟合法。还有反函数法及目前应用甚广的神经网络法等。都可用于压力传感器温度漂移的补偿。硬件电路进行校正大都存在电路复杂、调试困难、精度低、通用性差、成本高等缺点。软件补偿的效果要比硬件补偿好达到的精度更高而且成本较低。综合温度补偿法不仅可以补偿压力传感器因温度变化造成的影响而且可改善非线性指标是提高压力传感器全精度的一项有利措施能够确保压力传感器在规定的温度范围内的总精度得到改善。故本文将采用软件的方法对扩散硅压力传感器的温度漂移进行补偿。,(,本论文的主要工作内容(,)扩散硅压力传感器的温度漂移的理论分析:介绍了扩散硅压力传感器温度漂移的原因并对传感器温度特性进行半导体理论分析和电路理论分析。(,)简单介绍了查表法、曲线拟合法、神经网络法三种常用的软件补偿算法西北工业大学硕士学位论文第一章绪论并结合实际选用较为简单并且具有很好的实时性和精度的先查表后插值分步对非线性和温度漂移进行补偿。(,)详细描述了补偿系统的设计方法并对其中主要组成部分的原理、结构、特点和性能进行了分析和设计。(,)对完成后的压力传感器补偿系统进行温度实验获得实验数据对压力传感器补偿前后的温度精度等特性进行分析。,西北工业大学硕士学位论文第二章扩散硅压力传感器的温度漂移的理论分析第二章扩散硅压力传感器的温度漂移的理论分析在生产应用中直接或间接用作计量器具的传感器所面临的问题是准确度和可靠性问题。传感器有时会因精度、长期稳定性以及热漂移问题而受到应用限制。而对于扩散硅传感器来说热漂移问题是决定其特性好坏的一大关键指标。因为在工业现场中生产环境温度变化范围宽而半导体力敏电阻压阻系数的温度系数也很大在环境变化时会产生工作特性漂移与灵敏度不稳定使检测系统发生变化而造成测量值随环境温度变化出现测量误差影响了压力传感器的特性。扩散硅压力传感器温度漂移可分为以下两种:(,)零点热漂移:由于组成测量电桥的各个桥臂电阻的温度系数不一致致使不加压时电桥输出(零点输出)失衡并且这一状态随温度变化而发生变化。造成零点输出失衡及零点热漂移的主要原因集中在工艺上如加工尺寸掺杂浓度及均匀性掺杂层厚度等。(,)灵敏度热漂移:由于灵敏度与压阻系数成比例关系而压阻系数为温度的函数因此在加压情况下电桥的满量程输出也要随温度变化而变化。造成灵敏度热漂移的其他原因还有掺杂浓度过大或过小电阻条与底座之间热膨胀系数不一致等。虽然可以考虑采用冷却或恒温措施但大多数工况中无法做到这一点所以一般需要在电路硬件或软件方面采取措施进行温度补偿。所谓温度补偿就是利用检测系统自身的几个环节(或传感器的几个部件)受温度影响产生的变化相反而互相抵消的作用或在检测系统中附加一个环节、一个电路或一段程序用它去控制检测系统的输出值使之不随环境温度的变化而变化(严格的说应该是被控制在测量误差允许的范围之内)。在对压力传感器进行温度补偿前我们需要先了解零点漂移及灵敏度漂移的产生原因。,(,零点输出及其热漂移的产生原因所谓零点输出就是指在某一参考温度和一定电激励(恒流源或恒压源供电)条件下无外加压力时压力传感器的输出【,,】。

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