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(xiàn)性補償和溫度補償問(wèn).題,提高了系統測量精度。實(shí)驗結果表明:研制的變送器線(xiàn)性誤差小于0.42%,遲滯誤差小于0.48%,零點(diǎn)溫漂系數低于2.4x10^-4mA/℃.
1系統硬件結構和原理
　　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換為電容信號輸出;信號調理電路將電容信號轉為數字電壓信號;輸出,起到電容/電壓轉換作用;單片機對采集到的數字電壓信號進(jìn)行智能處理,包括非線(xiàn)性補償、溫度補償等,將處理后所得的數字電壓信號交于A(yíng)D421電路和LCD顯示;AD421電路將單片機輸出數字電壓信號轉化成4~20mA工業(yè)標準電流信號輸出。系統框圖如圖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變隙式工作原理,應用厚膜工藝制成的感壓元件,其外觀(guān)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)烘干和高溫燒結便形成了一個(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(xiàn)性并騏靈敏度降低,為減少溫度影響和邊緣效應,設計時(shí)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,的外側是固支邊。雙電容結構大大減小了傳感器系統的非線(xiàn)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傳感器信號調理電路
　　AD7745的主要功能是完成電容-數字電壓轉化，直接將電容信號轉換為數字電壓信號,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(xiàn)接口輸出,輸出數字電壓信號;RDY引腳低電平有效，每個(gè)信號下降沿表明信號傳輸完畢，新數據處于可傳輸狀態(tài)。
 
1.3單片機基本系統
　　單片機采用MSP430F447,其周?chē)€設計了顯示模塊、鍵盤(pán)等。MSP430F447單片機作為智能處理單元，主要任務(wù)是對前端傳感器和信號調理電路進(jìn)行數據處理以提高數據可靠性,并進(jìn)行非線(xiàn)性補償和溫度補償等得到理想數據。得到的理想數據交下一級輸出信號處理單元處理,同時(shí)在LCD顯示屏上顯示。
1.4輸出信號處理單元
　　AD421是數模轉化電路。它以串行方式的16位數字信號為輸人,經(jīng)過(guò)數模轉化后以4~20mA電流輸出。系統中AD421外圍電路設計如圖4所示。
 
2系統軟件設計
　　系統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(lái)說(shuō)，系統啟動(dòng)后,主程序完成各種初始化工作。系統的各種具體功能由如下各種中斷處理子程序構成: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。系統軟件程序流程圖如圖5所示。
 
　　在系統正常工作時(shí),由各鍵盤(pán)按鍵觸發(fā)中斷,系統判別各中斷,執行各種具體功能。
2.1鍵盤(pán)去抖子程序
　　鍵盤(pán)去抖子程序是為了確認按鍵按下的可靠檢測程序。該程序的設計有利于系統可靠性的提高,在實(shí)現上主要通過(guò)一段時(shí)間的延遲后再次檢測按鍵的狀態(tài)而實(shí)現。
2.2數據處理子程序
　　數據處理子程序對一小段時(shí)間內采集到的多個(gè)數據濾除最大值和最小值,然后統計計算其算術(shù)平均值,并通過(guò)查表法進(jìn)行非線(xiàn)性補償和溫度補償。因此,在數據處理子程序的編寫(xiě)前,須通過(guò)實(shí)驗獲取傳感器非線(xiàn)性曲線(xiàn)和溫度漂移曲線(xiàn),以便制備查表數據。
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，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(shí)驗結果與分析
　　變送器實(shí)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(shí)驗箱作為實(shí)驗溫度控制裝置。實(shí)驗結果曲線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系,非線(xiàn)性誤差小,最大不超過(guò)0.42%,并且曲線(xiàn)中加壓、減壓的輸出-輸人正反行程曲線(xiàn)重合得很好,幾乎分辨不出加壓、減壓曲線(xiàn)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(xiàn)性補償。
　　圖7說(shuō)明傳感器零位輸出隨溫度變化曲線(xiàn)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償。
4結束語(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)現場(chǎng)壓力參數,還可以間接測量液位、位移等參數,具有廣泛的使用價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。