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傳統(tǒng)電容式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)特性，改進(jìn)空間有限，而隨著單晶硅傳感器技術(shù)的發(fā)展，昌暉儀表制造有限公司對(duì)相關(guān)技術(shù)的掌握，開(kāi)拓了的市場(chǎng)，形成了規(guī)模化的生產(chǎn)，其外形如圖1所示。


圖1 單晶硅壓力變送器

YR-ER100系列單晶硅壓力變送器采用瑞士原裝單晶硅壓力傳感器芯片，被測(cè)壓力直接作用于單晶硅傳感器的隔離膜片上，使膜片產(chǎn)生與壓力成正比的微位移，通過(guò)硅油傳導(dǎo)至單晶硅傳感器芯片上，使傳感器對(duì)應(yīng)于所傳入的壓力輸出一個(gè)相對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)，由微處理器內(nèi)部的高精度AD模塊放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并且通過(guò)單晶硅壓力傳感器內(nèi)部集成的溫度傳感器采集溫度用于溫度非線性補(bǔ)償，以及專(zhuān)用通信芯片構(gòu)成HART通信電路，在軟件程序的支持下完成所需的測(cè)量及通訊任務(wù)。壓力信號(hào)處理后輸出與單晶硅壓力傳感器所對(duì)應(yīng)的壓力成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)4-20mA輸出的電信號(hào)，并且符合HART協(xié)議通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定及過(guò)程控制。

1、壓力變送器硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
①硬件原理設(shè)計(jì)
被測(cè)介質(zhì)的壓力作用于單晶硅壓力傳感器上，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路將其轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換為一定幅度的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送至MCU處理，壓力及溫度信號(hào)經(jīng)微處理器的數(shù)據(jù)處理，程序運(yùn)算，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換以及HART通信電路處理，將壓力及溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成所需要的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)及符合HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，并制在二線制電流信號(hào)上，提供給用戶(hù)使用，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。在單晶硅壓力變送器電路中設(shè)置了專(zhuān)門(mén)用于存儲(chǔ)傳感器特征信息的存儲(chǔ)器芯片，用于傳感器出廠特征數(shù)據(jù)的保存實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)冗余保護(hù)。如圖2所示。


圖2 單晶硅壓力變送器硬件原理框圖

②單晶硅傳感器模塊
單晶硅壓力傳感器內(nèi)部封裝的傳感器芯片的本質(zhì)將決定最終產(chǎn)品的性能與等級(jí)，在文章《》詳細(xì)介紹過(guò)這方面知識(shí)。本文中的傳感器采用瑞士*的單晶硅壓力傳感器技術(shù)制成的高穩(wěn)定性單晶硅傳感器芯片，懸浮式設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌瑞士測(cè)壓膜盒與信號(hào)處理模塊，使信號(hào)具有的一致性，減少裝配應(yīng)力引起的誤差，具有較高的穩(wěn)定性。單晶硅壓力傳感器的輸出靈敏度高、信號(hào)量大，并且電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔可靠，與傳統(tǒng)金屬電容式傳感器相比較，具有很好的回差特性，線性誤差曲線的回差極小，基本可以忽略不計(jì)。單晶硅壓力傳感器內(nèi)部集成有隨溫度線性變化的二極管，測(cè)量溫度用于溫度補(bǔ)償參考，可在大范圍內(nèi)的靜壓和溫度下提供的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

③信號(hào)處理模塊
智能壓力變送器信號(hào)處理模塊主要由MCU微處理器、A/D轉(zhuǎn)換、D/A 輸出、存儲(chǔ)器等部分組成。本設(shè)計(jì)選用一款具有超低功耗功能強(qiáng)大的單片機(jī)，具有豐富的片上外圍模塊、強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力、中斷資源多，開(kāi)發(fā)方式方便高效。MCU內(nèi)含一個(gè)24位高精度Σ-Δ型ADC，信號(hào)單端/差分輸入，內(nèi)部1.2V基準(zhǔn)電壓源，適用于傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換處理。高精度AD將傳感器模塊檢測(cè)輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，交由MCU芯片處理，主控芯片完成線性化、溫度補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)計(jì)算功能后，相關(guān)的AD值，PV值等數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，由HART信號(hào)實(shí)現(xiàn)同上位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)交換，并且通過(guò)LCD液晶屏就地顯示。

4-20mA轉(zhuǎn)換輸出選用了低功耗、高精度的D/A轉(zhuǎn)換芯片。4-20mA電流環(huán)的16位DA轉(zhuǎn)換器，與HART協(xié)議兼容，并且具有可編程的報(bào)警電流輸出，在兩線制智能變送器中是一個(gè)非常理想的電流環(huán)芯片，滿(mǎn)足智能變送器的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

④HART 通信模塊
HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)芯片和D/A轉(zhuǎn)換器AD5421及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用低功耗的AD5700作為HART 調(diào)制解調(diào)器。芯片內(nèi)部集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號(hào)整形電路、載波檢 測(cè)等電路便于構(gòu)建滿(mǎn)足HART協(xié)議物理層。

2、單晶硅壓力變送器軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
①軟件功能設(shè)計(jì)
軟件由任務(wù)分配引擎、中斷系統(tǒng)處理、硬件驅(qū)動(dòng)程序、HART協(xié)議棧、HART任務(wù)處理、AD/DA任務(wù)處理、干簧管按鍵處理模塊組成，如圖3所示。


圖3 軟件功能模塊框圖

任務(wù)分配引擎以5ms的定時(shí)器中斷為時(shí)間基準(zhǔn)，進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行分配，然后將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后，顯示在液晶面板、存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器以及進(jìn)行HART數(shù)據(jù)傳輸。基于軟件模塊框圖的主函數(shù)流程示意圖如圖4所示。

圖4 單晶硅壓力變送器軟件功能主流程圖

單晶硅壓力變送器軟件功能主要分為三個(gè)部分：
1)壓力以及溫度信號(hào)的采集、處理和變送；
2)HART通信，進(jìn)入中斷，識(shí)別和響應(yīng)通信信號(hào)，包含數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和層間接口等部分程序；
3)LCD液晶顯示，按鍵就地調(diào)零、數(shù)據(jù)讀取及存儲(chǔ)等。
②軟件溫度補(bǔ)償算法
用于壓力測(cè)量的傳感器，因其材料的固有特性，普遍存在著溫度漂移和非線性等問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的線性化，要對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償與校正，而補(bǔ)償方法及校正技術(shù)的選擇直接決定壓力變送器的輸出精度及可靠性。

針對(duì)溫度影響，采集傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，運(yùn)用MATLAB對(duì)大量的數(shù)據(jù)樣本仿真建模，發(fā)現(xiàn)單晶硅壓力傳感器輸出值誤差隨著環(huán)境溫度取樣點(diǎn)和輸入壓力取樣點(diǎn)的變化，呈現(xiàn)非線性曲面特征。對(duì)比分析各種數(shù)值分析方法，找到一種智能算法結(jié)合 自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)溫度補(bǔ)償軟件平臺(tái)，很好地解決此類(lèi)問(wèn)題，此算法能夠根據(jù)散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和保持曲面的本質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征，樣本數(shù)據(jù)量小，計(jì)算不復(fù)雜。對(duì)原始數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償算法輸出修正溫度影響后的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入非線性校正即可實(shí)現(xiàn)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓力值。此算法精度高且具有普遍適用性。

③軟件非線性化處理
在常溫25℃情況下，采集量程的0%、25%、50%、75%、99%共5壓力點(diǎn)的AD值，采用分段線性的方法標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)AD數(shù)字量轉(zhuǎn)換出對(duì)應(yīng)壓力物理量。其他溫度點(diǎn)的AD碼值需先經(jīng)溫度補(bǔ)償修正后為新的AD值，然后將此AD值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的壓力值輸出。 如圖5所示。

圖5 單晶硅壓力變送器非線性標(biāo)定原理

3、測(cè)量結(jié)果分析
本文選取壓力測(cè)量范圍為：0-200kPa，工作溫度范圍為-20～70℃。 由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，YR-ER100單晶硅壓力傳感器本身良好的穩(wěn)定性加上創(chuàng)新的軟件溫度補(bǔ)償算法，最終測(cè)量結(jié)果具有很高的精度，達(dá)到全溫度范圍全量程范圍內(nèi)滿(mǎn)足0.05%的精度，完整修正了溫度的影響。
 
4、結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了YR-ER100單晶硅壓力變送器，融入創(chuàng)新的溫度補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)單晶硅壓力傳感器高穩(wěn)定性、高精度輸出，其準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了高等級(jí)的0.05級(jí)，其部分性能甚至超越了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的變送器水平。現(xiàn)場(chǎng)總線HART協(xié)議的使用，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的修改及遠(yuǎn)程控制的智能化，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
作者：葉敏