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压力传感器优化设计研究

【摘要】研究影响压力传感器(以下简称传感器)电磁敏感性的主要因素,并提出优化设计方案,确保提高传感器的电磁敏感性。论文中运用模拟退火算法和仿真软件分析方法来预测传感器内射频能量分布的聚集点与畸变点,对传感器的电磁敏感性薄弱环节,有针对性地进行相应优化,并且采用一些其它必要的优化方法来进行优化,对比优化前后的传感器电磁敏感性数据,结论证实,传感器的电磁敏感性得到提高,传感器符合电磁兼容要求,可以将该优化设计在实践应用中推广。

【关键词】压力传感器;电磁敏感性;电磁兼容;模拟退火算法;仿真软件分析

电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力[1-2]。电磁敏感性是指存在电磁骚扰的情况下,装置、设备或系统能够避免性能降低的能力。在具体论文研究中,将针对传感器的电磁兼容问题,提出优化设计方案,确保提升传感器的电磁敏感性。

1.提高传感器电磁敏感性原因

传感器在运行过程中需具有有一定的抗电磁干扰性[3],电磁干扰除影响传感器的正常工作外,对人体健康也会造成有害的影响,这样的传感器在实际使用中是不安全的[4-5],所以需要提高传感器的电磁敏感性,使传感器符合电磁兼容要求。文中所指的传感器,对外界的电磁影响可以忽略不计,故只需要研究传感器的抗电磁干扰性,并提高传感器的电磁敏感性。

2.影响传感器电磁敏感性主要因素

2.1电磁干扰源因素。在传感器运行过程中,由于会受到来自外界的无线电发射装备、高速数字电子设备、整机电气设备的静电放电、接触噪声、电路的过度现象、电磁波反射现象等的影响,产生电磁干扰,从而降低传感器的电磁敏感性[6]。2.2电磁耦合途径因素。在传感器设计中,其电路板上的引线、元器件都会产生电流,也都有电位,因此会在电路板上产生电磁场,若是传感器的电路布线和元器件的布置不合理时,会对传感器正常运行产生寄生耦合干扰,外界介质按电磁场的规律向传感器周围空间发射电磁干扰,也会降低传感器的电磁敏感性[7]。

3.传感器电磁敏感性优化设计

3.1运用模拟退火算法优化

传感器电磁兼容通常需要满足GJBl5lA-1997标准,若是仅运用传感器单层外壳屏蔽的方式并不能满足电磁兼容要求,因此可运用模拟退火算法,原理图见图1,不仅能够避免受到初始条件的约束,也可以找出能够解决电磁干扰的最佳方案,从而提高压力传感器的电磁敏感性。图1模拟退火算法原理图1)初始温度t0的选取t0要选取的足够大,Johnson等建议通过计算若干次随机便换目标函数平均增量的方法来确定t0的值。其中,为上述平均增量,x0为初始接收率,一般取0.8~1之间的数。2)温度衰减函数的选取一个常用的温度衰减函数是其中,α取0.5~0.99之间的数,固定控制参数值的衰减步数K,把区间[0,t0]划分为K个小区间,把温度衰减函数取为:3)Markov链的长度Lk的选取固定长度:Lk通常取为问题规模n的一个多项式函数。有接受和拒绝的比率来控制Lk:当温度很高时,Lk应尽量小,随着温度的渐渐下降,Lk逐步增大。4)终止温度tf(停止准则)的选取用循环总数控制法、接收概率控制法等进行选取。

3.2运用仿真软件分析优化

运用Protues(英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件)软件进行传感器电磁兼容仿真,仿真分析传感器的电磁敏感性薄弱环节,从而有针对性的进行相应优化,在优化设计后明显缩小了磁场的聚集点范围,大大削弱电磁干扰强度,传感器的电磁敏感性得到了提高,仿真图见图2。

3.3提高电磁敏感性的其它方法

3.3.1电磁屏蔽用屏蔽体将干扰源包封起来,或用屏蔽体将传感器包封,使传感器免受外界空间电磁场的影响。屏蔽技术虽然能有效地阻断电磁干扰的传播通道,但又会使传感器维修不便,并导致重量、体积和成本的增加,所以应采用合理的措施。3.3.2优化信号设计传输信息的电信号需要占用一定的频谱。为尽量减小电磁干扰,对有用信号应规定必要的最小占用带宽,这有赖于优化信号波形。3.3.3完善线路设计应设计和选用自身发射小、抗干扰能力强的电阻线路作为传感器的单元电路。3.3.4合理布局合理布局包括系统设备内各单元之间的相对位置和电缆走线等,其基本原则是使感受器和干扰源尽可能远离,输入与输出端口妥善分隔,高电平电缆及脉冲引线与低电平电缆分别敷设,通过合理布局能使干扰减小到最小程度。3.3.5滤波滤波是借助抑制元件将有用信号频谱以外不希望通过的能量加以抑制,它既可以抑制干扰源的发射,又可以抑制干扰源频谱分量对敏感设备、电路或元件的影响,滤波能十分有效地抑制传导干扰。3.3.6接地与搭接不管是否与大地有实际连接,只要为电源和信号电流提供了回路和基准电位,就通称为接地。电子设备接地是抑制噪声和防止干扰的重要措施之一。设计中如能周密设计地线系统,使用接地、滤波和屏蔽等措施,能有效提高传感器的电磁敏感性。

4.实例仿真分析解决电磁干扰

取三只传感器,按GJBl51A、GJBl52A条件进行试验,分析比较传感器在优化设计前和试验中的零位输出值,相关数据见表1。由表1可以看出,优化设计后的传感器其电磁敏感性得到了很大的提高。

5.结论

综上所述,传感器由于受到电磁干扰的影响,会降低传感器的电磁敏感性,因此需要对传感器进行优化设计,可运用模拟退火优化算法和仿真软件分析来预测传感器内射频能量分布的聚集点与畸变点,合理调整传感器设计方案,并对传感器做好电磁屏蔽、优化信号设计、完善线路设计、合理布局、滤波、接地与搭接等,对提高传感器的电磁敏感性,解决传感器的电磁干扰,能发挥积极的应用价值。

作者:雷钢 王长虹 齐虹 刘亚娟 刘涛 单位:中国电子科技集团公司第四十九研究所

参考文献

[1]曹俊,郑洁.共轨压力传感器的电磁兼容性试验研究[J].车辆与动力技术,2014.

[2]陈竹健,杨敏,夏状东.机车用压力传感器电磁兼容设计[J].机车电传动,2016.

[3]陈得民.机动车MEMS压力传感器电磁兼容测试[J].上海计量测试,2015.

[4]杨开宇,谭天洪,高印寒等.基于HFSS仿真分析的控制箱电磁兼容[J].实验室研究与探索,2014.

[5]李彦芳,杨晓斌,郑璐等.一种高精度压力传感器的设计与实现[J].电子设计工程,2016.

[6]苍晓羽,荆元祥,刘琦.舰船推力测量电路设计技术[J].舰船科学技术,2014.

[7]李本亮.基于CAN总线的气压高度表研制[J].西安电子科技大学,2015.

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