压力温度多功能传感器智能仪表的研究.pdf

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 本课题在分析压力温度多功能传感器的结构原理及信号输出特点的基础 上，提出并论证利用最小二乘法曲线拟合的方法，对大温度范围下多晶硅压 阻式压力 传感器的零点温漂与灵敏度漂移进行补偿的高精度测量压力方案， 并采用单片机等智能仪表技术设计出相应的智能仪表 系统采用了组合仪表的理念，分别设计出智能处理中心单元模块和多种 标准输出接口 模块 ( 包括基于R S 2 3 2 数字化输出接口 模块、基于模拟量输出 接口模块、基于键盘数码显示的人机接口模块)，可根据实际需要，组合选 择使用; 同时采用了智能仪表的数字信号处理技术，抗干扰设计技术，提高了仪 表的精度，性能，降低了仪表的成本从而有效地探索多功能传感器智能仪 表的实用化、集成化、微型化、高精度化的道路，为多功能传感器的应用推 广提供了条件同时还利用 WI N D O WS编程技术设计出与智能仪表连接的 上位机软件，探索了其网络化的思路 关键字多功能传感器， 智能仪表， 压力传感器 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abs t r a c t B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e p r e s s u r e - t e m p e r a t u r e s e n s o r ' s p r i n c i p l e a n d t h e s i g n a l o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c s , t h e h i g h a c c u r a c y m e a s u r e m e n t s c h e m e w h i c h c a n c o m p e n s a t e t h e t e m p e r a t u r e d r i f t o f t h e s e n s o r o f f s e t a n d s e n s i t i v i t y i n a w i d e r a n g e b y u s e o f t h e l e a s t s i g n i f i c a n t f i tt i n g w a s d i s c u s s e d a n d u s e d . F u r t h e r m o r e , i t a d o p t s a s i n g l e - c h i p m i c r o p r o c e s s o r t o d e s i g n t h e i n t e l l i g e n c e i n s t r u me n t . B a s e d o n t h e p r i n c i p l e o f t h e c o m b i n a t i o n i n s t r u m e n t , t h e i n t e l l i g e n c e c e n t r a l p r o c e s s o r u n i t a n d s e v e r a l s t a n d a r d o u t p u t i n t e r f a c e s ( i n c l u d i n g d i g i t a l o u t p u t i n t e r f a c e b a s e d o n R S 2 3 2， a n a l o g o u t p u t i n t e r f a c e， k e y b o a r d a n d d i s p l a y i n t e r f a c e ) w e r e d e s i g n e d . T h e s e i n t e r f a c e s c a n b e c h o s e n a c c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n A t t h e s a m e t i m e , t h e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y a n d t h e h a r d w a r e a n t i - i n t e r f e r e n c e d e s i g n t e c h n o l o g y w e re a d o p t e d i n t h e d e s i g n , w h i c h c a n i n c r e a s e t h e m e a s u r e me n t a c c u r a c y，i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c e a n d r e d u c e t h e c o s t o f t h e i n s t r u m e n t . T h e p r a c t i c a b i l i t y o f m u l t i - f u n c t i o n s e n s o r， t h e i n t e g r a t i o n , m i n i m i z a t i o n a n d h i g h a c c u r a c y w e r e d i s c u s s e d. T h e m a s t e r s o f t w a r e w h i c h c o n n e c t s w i t h i n t e l l i g e n c e i n s t r u m e n t w a s d e s i g n e d u s i n g t h e w i n d o w s p r o g r a m t e c h n o l o g y , a n d n e t w o r k c o n c e p t w a s a l s e d i s c u s s e d K e y w o r d s Mu l t i - f u n c t i o n s e n s o r , I n t e l l i g e n c e i n s t r u m e n t , P r e s s u r e S e n s o r 1 1 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1 章 绪 论 1 . 1 引 言 单晶硅压阻式压力传感器由于体积小、灵敏度高、线性好、滞后小、易 于集成等特点而得到了广泛的应用，但由于其固有的P - N 结隔离问题，无法 满足高温情况下的压力测量要求。

多晶硅压阻式压力传感器由于采用S O S 技 术、多晶硅 S O I技术，而成为一种较好的高温环境下的压力传感器[[ l . ‘ s 1 然 而，由于半导体电阻和电阻应变系数随温度的变化显著，在大温度范围应用 时，必须对传感器进行温度补偿，才能保证测量的准确I 6 - 8 1 哈尔滨工业大 学微电子系通过在多晶硅压阻式压力传感器芯片上集成温度敏感元件研制出 压力温度多功能传感器，不但能同时测量压力和温度信号，还可利用输出的 温度信号，对压力信号的零点温漂和灵敏度温漂进行补偿，有效的提高了传 感器的测量精度，减小了体积，降低了成本 本课题分析了压力温度多功能传感器的信号输出特点，采用并论证利用 最小二乘法多项式拟合的方法补偿了由于温度变化而产生的压力信号零点与 灵敏度漂移，并研制出实现相应测量方案的智能仪表与其配套使用在仪表 的设计过程中，充分的考虑了其实际应用并按照模块化和产品化的理念设计 了系统，对多功能传感器的数字化、微型化和集成化应用的方向进行有效探 索，为压力温度多功能传感器尽快批量投入应用打下了基础 1 . 2 智能仪表的发展状况 1 . 2 . 1 智能仪表定义、结构、发展 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微处理器的测 量仪器，由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自 动化操作等功能， 具有一定智能的作用 ( 表现为智能的延伸或加强等) ，因而被称之为智能仪 器19 1 智能仪器的核心是微处理器[[ 1 0 ] ，图1 - 1 给出了总线制 ( 或称为微机内 藏 式) 智能仪器的结构。

由图可知，智能仪器具有计算机的结构，具有组成微 机系统所包含的基本部分:微处理器、R O M , R A M ,键盘、显示器等同时还 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 具有相应的特殊部分:模拟量输入、输出.数字量输入、输出:标准的串行 或并行通信接口等另外，智能仪器的键盘、显示器等会根据仪器的功能的 不同而有别于通用计算机的键盘、显示器等 总线 图1 - 1 总线制智能仪器结构 F i g . l - 1 S t r u c t u r e o f B a s i s B u s I n t e l l i g e n c e I n s t r u m e n t 自 从 1 9 7 1年出现了第一种微处理器以来，微计算机技术得到了迅猛的 发展，测量仪器在它的影响下有了新的活力电子计算机已经可以小到可置 于测量仪器中，作为仪器的控制器、存储器及运算器概括起来说，智能仪 器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多用等方面己取得巨大的 进展到了9 0年代，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中已经很少 有不采用微计算机技术传统的手持式万用表，在采用了单片微机控制之后， 功能更加多样，使用更加方便、可靠，而且准确度大为提高.在磁测量仪器 方面，采用微机的精密侧磁装置可以实现对磁性材料的智能化测量， 在一个 装置上可以满足大多数磁性参数及品种的要求.同时，由于微计算机的内存 容量的增加，工作速度的增高，数据处理的能力有了极大的改善，这样就可 引入动态信号分析技术， 如数字滤波或 F F T (快速傅立叶变换 ) ，运行不同 的分析软件。

如智能化的医学诊断仪及机器故障诊断仪等这类仪器的进 一步发挥就是专家系统，其广泛应用所产生的社会效益及经济效益将是十分 巨大的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 . 2 . 2 智能仪表的特点 智能仪器具有下述几个特点: ( 1 )功能丰富、性价比高微处理器的引入使智能仪器的功能较传统 仪器有了极大的提高，可以采用软件技术来解决许多原来用硬件电路难以解 决的问题智能仪器可通过数字滤波、非线性校正、误差修正等技术来修正 由传感器、变换器、放大器等引入的误差和干扰，提高仪器性能指标就是 说，智能仪器可用软件方法克服硬件本身的缺陷或弱点，提高仪器的性能价 格比 ( 2 )智能仪器具有自校准、自检和自诊断功能智能仪器内含微处理 器，增加相关硬件后，不仅可实现零位和标度因子的校准，还能实现零位漂 移和标度因子漂移的补偿另外通过软硬件配合，可判断工作是否正常，自 检故障位置，即仪器具有自诊断功能 ( 3 )智能仪器能实现复杂的运算的控制功能微处理器的运算速度提 高、运算能力增强，使智能仪器不仅能实现诸如 P I D这样的经典算法，而 且还能实现诸如最优控制和最佳滤波等现代算法 ( 4 )智能仪器的人机对话能力强智能仪器用键盘代替传统仪器的开 关、 旋钮等， 输入功能强， 操作简单、灵活。

还可根据需要采用L E D . L C D . C R T等方式显示测量结果，显示清晰、直观、快速另外，有些智 能仪器还可选择通过键盘 ( 或鼠标)和 C R T显示器以窗口方式实现人机对 话的方案 ( 5 )多个仪器可构成 自动测试系统由于智能仪器通常带有通信接 口，因此可选用不同的单个智能仪器，通过其各自的通信接口组成一个自 动 测试系统而完成不同的测试任务 总之，智能仪器是以计算机科学、微电子学、微机械学以及材料科学为 理论基础，实现信息传感、信号检测、信号处理、。