陶瓷電容式智能壓力變送器結構原理

摘要:設計了一種基于智能型陶瓷電容式壓力變送器,給出了其信號獲取裝置(雙電容陶瓷壓力傳感器)的制備原理、信號調(diào)理電路的設計以及單片機軟件程序設計。其中,軟件程序主要解決了非線性補償和溫度補償問.題,提高了系統(tǒng)測量精度。實驗結果表明:研制的變送器線性誤差小于0.42%,遲滯誤差小于0.48%,零點溫漂系數(shù)低于2.4x10^-4mA/℃.
1系統(tǒng)硬件結構和原理
　　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獲取裝置將外界壓力信號轉(zhuǎn)換為電容信號輸出;信號調(diào)理電路將電容信號轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓信號;輸出,起到電容/電壓轉(zhuǎn)換作用;單片機對采集到的數(shù)字電壓信號進行智能處理,包括非線性補償、溫度補償?shù)?將處理后所得的數(shù)字電壓信號交于AD421電路和LCD顯示;AD421電路將單片機輸出數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)化成4~20mA工業(yè)標準電流信號輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
 
1.1雙電容陶瓷壓力傳感器的設計原理
　　雙電容陶瓷壓力傳感器是依據(jù)變隙式工作原理,應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(其主要化學成分為Al203),通過厚膜絲網(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)烘干和高溫燒結便形成了一個非充液空氣介質(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,設計時在陶瓷膜片上設置圓形的單電極作為公共電極,陶瓷基板上設置雙電極并使面積相等,構成同軸環(huán)狀的雙電容傳感器。中心為測量電容Cp,邊緣環(huán)形為參考電容Cr,Cr,的外側(cè)是固支邊。雙電容結構大大減小了傳感器系統(tǒng)的非線性誤差,同時在環(huán)境溫度變化時,由于兩電容感受同一溫度的變化，溫度對它們所產(chǎn)生的溫度效應是一致的,這就減小了因溫度引起的測量誤差,起到了溫度自補償作用。
1.2傳感器信號調(diào)理電路
　　AD7745的主要功能是完成電容-數(shù)字電壓轉(zhuǎn)化，直接將電容信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號,送人單片機處理。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;RDY引腳低電平有效，每個信號下降沿表明信號傳輸完畢，新數(shù)據(jù)處于可傳輸狀態(tài)。
 
1.3單片機基本系統(tǒng)
　　單片機采用MSP430F447,其周圍還設計了顯示模塊、鍵盤等。MSP430F447單片機作為智能處理單元，主要任務是對前端傳感器和信號調(diào)理電路進行數(shù)據(jù)處理以提高數(shù)據(jù)可靠性,并進行非線性補償和溫度補償?shù)鹊玫嚼硐霐?shù)據(jù)。得到的理想數(shù)據(jù)交下一級輸出信號處理單元處理,同時在LCD顯示屏上顯示。
1.4輸出信號處理單元
　　AD421是數(shù)模轉(zhuǎn)化電路。它以串行方式的16位數(shù)字信號為輸人,經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化后以4~20mA電流輸出。系統(tǒng)中AD421外圍電路設計如圖4所示。
 
2系統(tǒng)軟件設計
　　系統(tǒng)軟件采用模塊化結構,可靠性、通用性好，且易于修改擴展。具體來說，系統(tǒng)啟動后,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成:鍵盤去抖子程序、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,由各鍵盤按鍵觸發(fā)中斷,系統(tǒng)判別各中斷,執(zhí)行各種具體功能。
2.1鍵盤去抖子程序
　　鍵盤去抖子程序是為了確認按鍵按下的可靠檢測程序。該程序的設計有利于系統(tǒng)可靠性的提高,在實現(xiàn)上主要通過一段時間的延遲后再次檢測按鍵的狀態(tài)而實現(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間內(nèi)采集到的多個數(shù)據(jù)濾除最大值和最小值,然后統(tǒng)計計算其算術平均值,并通過查表法進行非線性補償和溫度補償。因此,在數(shù)據(jù)處理子程序的編寫前,須通過實驗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置各種信號參數(shù)，例如幀信號頻率等,使LCD顯示屏與LCD控制器匹配工作。
3變送器實驗結果與分析
　　變送器實驗采用活塞式壓力計作為施壓和測壓設備,采用電容測試儀作為電容測量裝置,采用精度高電流表作為輸出電流測試裝置,采用溫度實驗箱作為實驗溫度控制裝置。實驗結果曲線如圖6、圖7所示。
 
　　圖6說明輸出電流與外加壓力有很好的線性關系,非線性誤差小,最大不超過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量和后端智能單元的非線性補償。
　　圖7說明傳感器零位輸出隨溫度變化曲線斜率很小,不超過2.4x10^-4mA/℃.其主要原因是智能處理單元的溫度補償。
4結束語
　　利用厚膜傳感技術研制厚膜陶瓷電容壓力傳感器,在結構上設計了雙電容感壓元件,同條件下測試電容和參考電容所產(chǎn)生的溫度效應是一.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,不但可以測量工業(yè)現(xiàn)場壓力參數(shù),還可以間接測量液位、位移等參數(shù),具有廣泛的使用價值和市場價值。