数据采集系统变送器零点漂移的解决方法_毕业论文(编辑修改稿)

数据采集系统变送器零点漂移的解决方法_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

239。 P Q I O 2 1 339。 图 单晶硅任意方向的压阻系数计算图 1， 2， 3为单晶硅立方晶体的主轴方向；在任 意方向形成压敏电阻条 R,P 为压敏电阻条 R的主方向，又称纵方向。 Q为压敏电阻条 R 的副方向，又称横向。 方向 1是由电阻条的实际长度方向决定的，记为 139。 方向； Q 方向是由电阻条的实际受力方向决定的，记为 239。 方向。 定义 a ， n 分别为纵向压阻系数和横向压阻系数，且有 a =11 — 2（  441211  ）（ lnnmml 212121212121  ） n =12 +（  441211  ）（ nnmmll 2 2212 2212 221  ） 式中 11 —— 单晶体的纵向压阻系数； 12 —— 单晶硅横向压阻系数； 44 —— 单晶硅的剪切压阻系数； l1 ， nm 11, —— P 方向在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦； nml 222 , —— Q 方向在标准立方晶格坐标系中的方向余弦。 利用式（ ）就可以计算任意方向的电阻条的压阻效应。 内蒙古大学本科毕业 论文 (设计 ) 第 页 9 压阻式压力传感器的内部构造及工作原理 硅压阻式压力传感器的结构示意图如下： 图 压阻式 压力传感器结构示意图 压阻式压力传感器 利用具有压阻效应的半导体材料作为敏感元件，用 ISO 技术将半导体材料的敏感芯片封装在不锈钢波纹膜片的壳体中，在不锈钢波纹膜片和芯片之间充有硅油。 芯片引线穿过壳体引出并采用密封措施，防止硅油向外泄露或外面的压力介质渗入其中，这样芯片、硅油、壳体和引线组成压力传感器。 当传感器处在压力介质中时，介质压力作用于波纹膜片上使使其中的硅油受压，硅油将膜片的压力传递给半导体芯片。 芯片受压后使其电阻值发生变化，电阻信号通过引线引出。 不锈钢波纹膜片壳体受到压力并保护芯片，因而压阻式压力传感 器能在有腐蚀性介质中感应压力信号。 压阻式压力传感器一般通过引线接入惠斯 顿 电桥中 ，如图 223 所示。 平时敏感芯片没有外加压力作用，电桥处于平衡状态（称为零位）。 当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥失去平衡。 若给电桥加一个恒定电流或者电压电源，电桥将输出与压力对应的电信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换为压力信号输出。 图 压力传感器内部惠斯顿电桥电路 内蒙古大学本科毕业 论文 (设计 ) 第 页 10 压阻式压力传感器的热零点漂移问题的研究 传感器零点产生漂移的原因很多。 对压力传感器来说，桥路中元件参数本身就不对称；弹性元件和电 阻应变计的敏感栅材料温度系数，线胀系数不同，组桥引线长度不一致等综合因素，最后导致传感器组成电桥后相邻臂总体温度系数有一定差异，当温度变化时，相邻臂电阻变化量不同，从而使电桥产生输出不平衡，即产生了零点漂移。 下面对压力传感器的零点漂移进行具体分析。 压阻式压力传感器零点漂移的表示 零点温度漂移是衡量压力传感器质量的一个重要性能指标，一般零点温度漂移系数用 K0来表示： CFSTUTUTT TUTUK N   /%100)]()()[( )()( 0000 0000 （ ） 上式中， )( 0TUN 为参考温度下满量程时的输出电压； )(0TU 和 )( 00TU 分别为温度 T 和参考温度 T0时的零点输出电压。 由于热敏电阻制造工艺的不一致性， 因此 温度零点漂移系数 K0不是一个定值，它在不同的温度区间有不同的值。 通常也可以规定为某个温度范围内零点输出占满量程输出的比例（177。 百分数）或最大温度零点系数（即零点输出温度变化的最大斜率），一般该系数取值不能超过传感器精度值。 如图 231 所示为一定电激励条件下压力传感 器典型的输出电压与压力之间的关系。 温度为 0℃时的曲线斜率大， 25℃曲线的斜率其次，温度为 50℃时曲线的斜率最小。 当压力 P=0 时的输出电压 U0便是零点输出电压。 三条曲线的零点输出电压的差别就是零点温度漂移造成的。 由图可见， U0有一个变化范围。 但由于桥臂电阻制作的不一致性，U0（ 50℃）值不一定大于 U0（ 0℃）值。 图 压力传感器的典型输出与输入之间的关系 内蒙古大学本科毕业 论文 (设计 ) 第 页 11 零点热漂移产生原因的半导体理论分析 半导体材料本身具有对温度敏感的特性 ,在不加压的情况下 ,当温度发生变化时 ,电阻阻值会产生变化。 而对于压阻型压力传感器来说 ,产生零点输出的原因还有不仅有材料特性方面的原因 ,还有加工工艺方面的原因。 制造半导体压力传感器的基本原理是利用硅晶体的压阻效应。 生产中一般采用集成电路的平面工艺 ,用杂质扩散或离子注入的方法形成电阻器。 但是，实际 生产操作中 ,力敏电阻条的设计尺寸和实际光刻尺寸不可能绝对一致 ,而掺杂浓度也无法做到完全相同 ,这都会导致电阻条的阻值及电阻温度系数产生 %一 %的差异 ,导致了零点输出的差异 ,单纯在某一参考温度下的零点输出是很容易消除的 ,但是一旦温度产生变化 ,又会出现新的零点输 出 ,从而使不加压时不同温度下电桥输出不能完全一致 ,导致了零点温度漂移的产生 (扩散杂质浓度的均匀性 、 制版时电阻尺寸精度一致性以及光刻的对准精度 、电阻设计尺寸一致性决定了扩散电阻值的一致性。 而扩散电阻温度系数主要取决于掺杂浓度的均匀性 )。 另外 ,封装引入的应力的压阻效应也要对零点输出产生影响。 只有当电阻的掺杂浓度和阻值一致时 ,才能使电桥的零点输出电压小 ,零点热漂移也小。 这对提高传感器的性能十分有利。 但是扩散时掺杂分布不易做到均匀 ,因此要求力敏电阻条越接近越好 ,越短越好。 零点热漂移产生原因的电路分析 理想的情况下，组成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值应该是相等的，因而在电桥处于平衡状态时，电桥的输出电压应该零。 但在制作压阻式传感器的过程中，由于被连接成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值不可能制作得完全相等，所以当压力为零时，电桥的输出不为零，这种零点输出漂移将随温度的变化而发生漂移，即产生零点温度漂移。 零点温度漂移的产生是由于扩散电阻的阻值随温度变化引起的，在一定的温度范围内，电阻值随温度的增加而增加，即扩散电阻的温度系数 R 为正值。 内蒙古大学本科毕业 论文 (设计 ) 第 页 12 R1 R4 V VB R2 R3 图 力敏电阻电桥 压阻型压力传感器中四个力敏电阻构成惠斯顿电桥。 当电桥用 VB 激励时，电 桥的输出为 UUSVs i gB KSKU  00 )( （ ） KSVU B 00  ， 称为压力 P =0 时的零点输出， KSVU Bsig  ，称为有效输出信号，与压力 P 成正比。 式中 RRRRS 42310  为电桥的不平衡量。 RRRRRRS ii /)(2 42310  为压力引起的电桥不平衡量 ， kPRR ii  / 与压力 P 成正比。 ))(( 44332211 RRRRRRRRK   在考虑热零点漂移时， P = 0, ∆S=0，因此， KSVUB 00  () 当 VB 恒定时，热零点漂移 K d TdKTdTdKdKTKT US SUKSVSVU BB 00 002020  () 其中 R= Roi (1 + i T)(i=1~4) ))(( 4321 RRRRK  内蒙古大学本科毕业 论文 (设计 ) 第 页 13 )(21111114321434343212121  RRRRRRRRTKK RR RRRR RRSST42314231423100 111  TSS  001项对TU 0的影响比 dTdKK1 更为重要 ，当 R1 、 R2 、 R3 、 R4 相差不大时，可将 dTdKK1 的影响略去，则  KRRRRKTKT VVSVU BBB ])()[( 4242313100   （ ） 式中 ])()[( 42423131  RRRR  。  值是 热零点漂移的决定因素。 可见减小压力传感器的热零点漂移的措施是各力敏电阻的电阻值及其温度系数的相等性。 内蒙古大学本科毕业 论文 (设计 ) 第 页 14 第三章 压力传感器热零点漂移的补偿技术 关于压力传感器的零点漂移补偿问题，国内外学者已经做了大量研究，并发表了一系列补 偿技术和算法。 从整体上来分，可以分为硬件补偿和软件补偿两大方向。 下面分别就这两个方向的代表性方法做简单介绍。 硬件零点补偿方法 对压力传感器而言， 硬件补偿 方法有在桥臂上串、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。 以单晶硅压力传感器的零点温度漂移通过串并联电阻的方法进行补偿为例。 单晶硅压力传感器，是利用单晶硅的压阻效应制成。 压阻系数是随温度变化而变化，因此压阻效应原理本身可引起传感器输出的温度漂移；另外，半导体敏感元件的制作工艺也会带来传 感器的整体温度漂移，如桥路电阻的不等同性、桥臂电阻的漏电流、装配应力等，即使是在没有输入的情况下，即零点温度漂移。 如图 所示，在电桥完全对称时 (即 R1R3=R2R4)输出应为零，在实际工艺条件下电阻总有些误差，如在电源电压为 3V 的条件下当 R1=R2=R3=R， R4=99%R，由VOC=V))(( 4321 3142 RRRR RRRR  算出， VOC= 的零位输出。 为了保证测量的准确性，必须要对电桥进行零位补偿。 根据经验，在有较高精度要求的场合下，用串并联电阻的补偿方法，一般取α s=α p=0。 图 惠斯通电桥电路 图 串并联相邻补偿电路 图 串并联相间补偿电路 内蒙古大学本科毕业 论文 (设计 ) 第 页 15 无论是恒压源还是恒流源供电，零位平衡的条件都是对臂电阻的乘积相等。 零位温漂最小的条件都是在对臂电阻的乘积相等的前提下对臂电阻的电阻温度系数之和 相 等。 采用一串一并补偿的法则 ， 可以有 16 种形式以上。 按照电桥在一定温度变化范围内保持平衡的两个条件，可归结为两种基本形式来考虑。 第一种：串并联相邻的形式，如图 所示。 使电桥平衡的条件是： )()||( 4231 RsRRRpRR  44 42331  RsR RRRRpp  联立两式，令3142RRRRN 有 : 34321 43221321)(2 4)()2( RN NNR p     43 432213212 4)()2( RN NNRs    第二种：串并相间的形式，如图 所示，使电桥平衡的条件是： 4231 )||)(( RRRpRRsR  42331 11   RpR RpRR R s 联立两式，得： 1423342 )( )( 。