压力传感器十篇

压力传感器篇1

关键词：MEMS压力传感器；惠斯顿电桥；硅薄膜应力杯；硅压阻式压力传感器；硅电容式压力传感器

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2009.06.015

本文于2009年3月22日收到。颜重光：高工，上海市传感技术学会理事，从事IC应用方案的设计策划和客户应用技术支持。

MEMS(微机电系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。

MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门。使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器。MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

MEMS压力传感器原理

目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。

硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的。具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。

MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高，精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01％～0.03％FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。

电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状。上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移。改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容最的大小，即压力=电容量(图5)。电容式压力传感器宴物如图6。

MEMS压力传感器的应用

MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS(轮胎压力监测系统)、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。

典型的MEMS压力传感器管芯(die)结构和电原理如图7所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥，右是管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感器产品，如图8所示。MEMs压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内(MCM)，使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。

MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链

MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链如图9所示。目前IC的4英寸圆晶片生产线的大多数工艺可为MEMS生产所用；但需增加双面光刻机、湿法腐蚀台和键合机三项MEMS特有工艺设备。压力传感器产品生产厂商需要增加价格不菲的标准压力检测设备。

对于MEMS压力传感器生产厂家来说，开拓汽车电子、消费电子领域的销售经验和渠道是十分重要和急需的。特别是汽车电子对MEMS压力传感器的需要量近几年激增，如捷伸电子的年需求量约为200～300万个。

压力传感器篇2

[关键词]钎焊；多层金属镀覆；芯片封接；压阻式压力传感器；低应力结构

中图分类号：S951.4+3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）17-0375-01

1 引言

鹤枋窖沽Υ感器是目前应用最为广泛的一种压力传感器，具有体积小、重量轻、工作可靠、灵敏度高等特点，广泛应用在军事、石油、化工、汽车等各个领域，通过压阻效应将压力信号转变成电信号，从而实现压力的测量和自动控制的目的。压阻式压力传感器由压力敏感芯片、管座、波纹膜片等零部件组成，压力敏感芯片一般通过硅酮类胶与管座连接，由于硅酮类胶的强度较弱，在测量负压的情况下，敏感芯片受到拉力的作用，芯片易从管座上脱离或发生内部传压液体泄漏的现象，可靠性低，易出现故障。若敏感芯片采用强度较高的胶结剂粘接固定，由于线胀系数差别较大，在环境温度变化较大时易出现胶结面分离、开裂等现象，导致故障的发生。

根据压阻式压力传感器固片结构和封接界面的受力状态，敏感芯片封接时，其封接界面不仅要有足够抗拉伸强度、较好的密封性，保证传感器的测压功能，同时，还要有较小的封接应力，减小封接对敏感芯片性能和稳定性的影响。

开展压阻式压力传感器硬封接技术的研究，采用钎焊实现压力敏感芯片与基体的密封刚性连接代替原有的胶结固定，满足压阻式压力传感器在负压测量时的特殊要求，提高产品的可靠性，是非常必要的。

本文主要是解决现有的压阻式压力传感器封装敏感芯片的方法易使芯片从管座上脱离而发生故障的问题，提供一种压阻式压力传感器敏感芯片气密性硬封接方法。

2 硬封接原理

根据压阻式负压压力传感器固片结构和封接界面的受力状态，敏感芯片封接时，其封接界面不仅要有足够抗拉伸强度、较好的密封性，保证传感器的测压功能，同时，还要有较小的封接应力，减小封接对敏感芯片性能和稳定性的影响。采用钎焊固片的方式实现压力敏感芯片与基体的密封刚性连接，代替原有的胶结固定，可以提高产品的可靠性。敏感芯片钎焊封接结构示意图如图1所示。

3 钎焊封接结构

采用钎焊硬连接固片时，由于连接强度较高，钎焊连接的敏感芯片玻璃底座与管座壳体（不锈钢）材料的线膨胀系数差别较大，钎焊完成后会产生较大的焊接应力失配，影响敏感芯片的输出稳定性，必须采取隔离钎焊焊接应力的措施。为减少焊接应力对芯片性能的影响，也为了避免钎焊过程时不锈钢管座上的镀金电极引线键合端面受到沾污、降低引线键合的可焊性和强度，采用了在敏感芯片与管座之间增加钎焊转接件进行过渡的方法，即避免了敏感芯片与不锈钢管座直接钎焊封接应力大的问题，又可以保证不锈钢密封界面的气密性和耐压强度，转接件的材料使用可伐合金。为了增加钎焊时的浸润性和可焊性，可以在转接件的钎焊表面制备镀金过渡层。

由于芯片钎焊面积小，在芯片钎焊固片时，若固片位置发生较大偏差，将影响钎焊的强度和密封性，影响产品的可靠性，而且在样品传感器的组装时，各部分之间的间隙很小，若芯片的位置偏移较大，会影响到整体的组装，导致产品的成品率的下降。为此，在本项目中采取了敏感芯片钎焊定位的技术途径解决这一问题。

为此，在钎焊转接件上设计加工带孔的定位凸台，该凸台与敏感芯片导压孔相配合，从而达到芯片在转接件上准确定位的目的。在芯片的中心通气孔处设计此凸台结构，能有效的防治钎焊焊料熔化时流淌进入转接件或芯片的通气孔中，保证芯片的通气孔能与大气相通，提高了产品的可靠性。

4 敏感芯片玻璃衬底的钎焊过渡层

为了增加钎料与玻璃表面的湿润和向玻璃表层的扩散，有助于芯片玻璃衬底与金属转接件之间形成均匀致密的钎焊界面，需要在玻璃衬底上增加镀覆层。

由于玻璃属于硅酸盐类氧化物，线性膨胀系数小，为在一定程度上避免钎焊时过大的热应力失配，要实现敏感芯片与金属转接件之间可靠钎焊，必须在敏感芯片玻璃衬底形成附着力强、热失配小、可焊性好、焊后耐压能力强和气密性高的钎焊层，单层过渡不能同时满足这些要求，采用三层镀覆的结构可以很好的解决这一问题，具体为在玻璃衬底上先蒸发第一层过渡层（铬Cr），再蒸发第二层过渡层（铂Pt），最后蒸发一层钎焊层（金Au），利用多层镀覆的方法，实现玻璃与金属之间的钎焊，隔离钎焊时产生的热应力，使敏感芯片牢固的固定在基座上，来确保镀覆层能够满足气密性与耐压强度的要求。

5 钎焊焊料选择

钎焊焊料的选择条件主要是两点，一是与芯片的温度性能相匹配，二是与敏感芯片玻璃衬底镀覆金属层和钎焊转接件镀覆金属层相匹配。

对于SOI芯片，根据压力敏感芯片玻璃衬底镀覆层的特性，并考虑焊接时的工艺性，合理选择钎焊焊料，尽量减少钎焊加热过程中对芯片性能的影响，考虑到压力敏感芯片能够承受的最高温度（450℃左右）和静电封接的温度（360℃），焊片应选择熔化温度小于360℃的低温钎焊焊料。

为了使钎焊焊料在钎焊时具有更好的流淌性，能够均匀的附着在被钎焊件的表面，可以选择加入松香作为钎焊时的助焊剂，加入助焊剂后，钎焊焊片能够更好、更快的不满被钎焊件的表面，也很好的避免了钎焊焊料熔化不充分导致空洞和裂纹的产生。而且松香在前韩式的高温条件下会挥发干净，不会再钎焊层表面或内部产生残留物，不会将有机物引入到钎焊结构中而导致影响产品的性能，保证了产品的可靠性。

结束语

针对压阻式负压压力传感器的工作状态，提供了一种压力敏感芯片与管座连接的新方法，采用钎焊固片工艺，应用敏感芯片玻璃衬底钎焊过渡层的多层蒸发和镀覆、低应力钎焊结构设计等关键技术，将压阻式压力传感器的敏感芯片与管座进行刚性密封连接，有效解决了使用硅酮类胶进行传统软连接的压阻式压力传感器在测量负压时敏感芯片受到拉伸力的作用，敏感芯片具有从被固定的管座基面脱离的趋势，其封接界面存在密封性差、耐拉伸能力低、塑性变形、易蠕变、易机械劣化的诸多局限性，从而提高了压阻式压力传感器负压测量时的可靠性和性能的稳定性，彻底避免了负压测量时内部传压液体泄漏故障的发生。

压力传感器篇3

1．1传感器激励的设计硅压阻式压力传感器内部结构为惠斯通电桥结构，可在恒压或者恒流模式下工作。由于硅压阻式传感器很容易受到温度的影响产生漂移，在恒压模式下随着温度的变化，传感器本身电阻R的变化会对信号产生影响，因此，选择恒流源作为传感器的激励［6］。传感器激励源的稳定与噪声大小直接影响着压力敏感元件的输出，因此，在确保低温漂、低噪声、驱动能力强的选型原则下，选择ADR4525基准源、AD8506运放构建驱动电路以及反馈电路。图2所示为传感器激励原理框图。

1．2温度补偿电路的设计温度补偿电路用于对温度发生变化时，敏感元件和构成信号调理电路各主要元器件的输入输出特性的补偿，温度补偿电路提供两类误温度漂移补偿:零点温度漂移补偿与灵敏度温度漂移补偿［7］。理想传感器的输出量与输入量关系。补偿的原理为将b，k调整到精确的某个值，最大限度消除温漂值b(T)和k(T)以及二次以上的非线性成分。

1．2．1零点温度漂移补偿由温度引起零点变化而造成输出变化的元器件中，压力敏感元件所占比重最大，对零点补偿原理如图3所示，温度检测元件的输出作为补偿端与待补偿信号做加减运算［8］，最终输出信号即为零点补偿后输出。该部分设计中，温度检测元件选择温度传感器AD590，AD590封装下、测量范围宽、输出线性，输出信号噪声仅为40pA，补偿信号不引入更多的噪声;同时由于温度传感器的输出以电流的形式输出，因此，需要通过高精密电阻器将其转换为电压信号后，与待补偿信号做加减运算，电阻器阻值的大小根据测量的零点漂移大小计算。

1．2．2灵敏度温度漂移补偿随着温度的变化传感器的满量程输出也会随之变化(即增益发生变化)，从输出来看，该变化可归一为压力敏感元件的灵敏度发生变化，此时，需对传感器的增益特性进行温度补偿。补偿原理如图4所示，温度检测元件检测到温度变化后，及时调整激励源的基准［9］，调整策略与增益温度特性互补，即增益降低，则增强激励源的基准，由激励源输出相应的恒流;同时可在敏感头的桥臂上串、并联电阻器调整增益特性。

1．3信号调理电路的设计信号调理电路用于将压力传感器输出的差分信号进行放大、滤波，原理图如图5所示。压阻式传感器输出的电压信号大多为mV级，采用仪表放大器AD8553对传感器输出的信号进行放大，AD8553为轨到轨输出，最大失调电压仅为20μV，在频响0．01～10Hz范围内噪声峰峰值为0．7μV，其中，R应大于3．92kΩ;同时由于SM5420输出的为差分信号，在仪表放大器的输入端需要添加抗射频干扰的滤波电路，如图5所示，若仪表放大器输入前滤波电路匹配不佳，输入的某些共模信号将转换为差模信号，因此，通常情况下所选的C2至少比C1或者C3大10倍，用于抑制滤波电路不匹配带来的杂散差分信号;基准源ADR4525为仪表放大器提供2．5V的参考电压，用于调整信号的零位。仪表放大器的输出信号需要进行滤波处理，这里采用MAX295芯片进行滤波，该芯片为8阶巴特沃斯滤波器，操作简单，只需提供输入时钟CLK则可任意控制滤波器的截止频率，输入时钟频率与截止频率的关系为50︰1。

1．4数据采集电路设计该部分电路主要是将补偿后的模拟信号通过A/D转换器AD8330将其转换成数字信号，AD8330为16位采样精度，采样率最高可达1MHz;采用已经使用成熟的微型处理器C8051F410进行数据采集和处理，微控制器通过SPI接口采集到量化后信号，同时通过RS—485总线转USB适配器与计算机进行通信。

2传感器标定与测试结果

压力传感器的标定主要是对零点和灵敏度的标定。将压力传感器安装到压力腔体内，共同放入高低温试验箱，打开高低温试验室箱并设置11个间隔均匀的温度值，在不同的温度梯度下使用压力泵对压力腔体打压，并记录压力传感器在零位和满量程时的输出值，采用最小二乘法对记录的值进行拟合［12］，得到传感器的零点温度漂移值和灵敏度温度漂移值。根据得到的值调整补偿电路使传感器的输出满足要求。将经过补偿后的压力传感器放入高低温试验箱，高低温试验室箱内温度设置为25℃，在量程范围内设置10个均匀的压力测试点，将测试结果记录到表1中，采用最小二乘法拟合数据得到补偿后的传感器静态特性。通过Matlab拟合后得到传感器输入与输出的线性关系式为y=0．020x+2．454，如图6(a)所示;经过计算传感器的静态特性为非线性误差为0．043%，迟滞为0．062%，重复性为0．027%，精度为0．085%，如图6(b)所示，最大误差位于点0kPa处，偏差为0．00154V，故非线性度小于1．54/(20．29×175)=0．043%，满足设计的要求。在测试的过程中，由于一天当中大气压强的变化测试结果会受到影响。

3结束语

压力传感器篇4

关键词：压力传感器；形变；有限元分析；位移

中图分类号：TB125 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）33-0072-02

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，压力传感器广泛应用于工业生产的许多行业，它的误差大小直接影响到测控系统的性能。由于目前的压力传感器一般是以弹性元件的形变指示压力，因此在使用过程中整个压力传感器会产生变形，由于其制作的材料等不同其形变也不同，因此在使用之前需对其进行分析，特别是使用在测量物体形变和受力关系的系统上，其自身形变可能会导致测量结果出现严重误差。本文结合一款S型压力传感器，使用COMSOL有限元分析对其受力情况下自身的形变进行有限元分析，得出相关数据，并分析出此传感器的受压最大位移点和正向受力面的各点线型图。

1 传感器材料及仿真模型的建立

1.1 传感器材料模型

S型压力传感器主要采用合金钢材料，其材料属性，见表1。

1.2 传感器几何模型与有限元模型

传感器几何模型采用三维几何模型，用外部CAD软件绘制出尺寸一致的三维体，然后导入到COMSOL软件中，对其进行边界约束和施加载荷面等设置后，进行网格化处理。为了降低计算机的计算成本，加快模型求解速度，可采用自由四面体网格进行实体域网格划分，其三维几何模型和有限元网格，如图1所示，其中四面体单元总数为25 924，三角形单元总数为9 510，边单元总数为1 632，顶点单元总数为56。

1.3 载荷和边界条件

在图1（a）三维几何模型中，施加载荷面在最上方，施加方向为Z轴反方向，即力的方向为从上往下压，在后面分析形变的时候重点监测的点即为几何模型中标注的6个。施加载荷大小为传感器的测量范围：0～100 N，载荷施加在三维模型的载荷施加面。在模型的最下方的为固定约束面，对其施加位移约束。

2 有限元分析结果

通过上述模型通过COMSOL计算处理后，得到的物体形变情况，如图2所示。

从形变图中可以看出，当S型传感器在受到正上方压力的时候，其形变最大点再上端侧面处，施加载荷50 N时，其位移形变为17.1 439 um。

三维模型中监测点的形变线图，如图3所示。

从监测点的位移情况发现，S型压力传感器下端的变形较小，而上端变形较大，4号位置接近最大位移点，在接近最大载荷时，其形变位移达到0.03 mm，最上面直接受力点2在最大载荷情况下达到0.025 mm。

监测点1-6的分析数据，见表2。

通过上述数据和图形可以得出，在S型压力传感器上施加载荷，会使其自身产生形变，位移大小在0.03 mm，即在系统中产生的位移误差为0.03 mm。其位移基本呈线性状态，因此在使用此类传感器时，如果测量的精度要求很高，就可以考虑利用线性位移的特性对其形变进行数据矫正，提高系统测量数据精度，减小误差。

3 结 语

利用COMSOL有限元进行传感器特性的分析，简单有效，省去了复杂的公式推导，减少了分析的时间，降低了分析中可能出现误差的可能性。在进行传感器形变分析中可以得到形变的最大位移的位置，可以分析各点在载荷情况下的形变情况，为系统使用传感器提出指引，同时可以看出S型传感器在载荷情况下的形变线性度很好，为系统测量的后期数据处理提供帮助。

参考文献：

[1] 李志鹏，，邵宪友.基于COMSOL声表面波扭矩传感器的有限元 分析[J].重庆理工大学学报，2015，29（11）：17-22.

[2] 贾阳，刘金超，郭军，左胜强，余金涛.基于COMSOL Multiphysics电力电 感器的有限元法仿真分析[J].传感器技术，2000，19（3）：36-37.

[3] 张怀亮，罗晶晶，雷亮.压力传感器线性度的有限元分析[J].中南大学学 报，2004，35（3）：431-433.

[4] 资新运，赵姝帆，耿帅，等.应变式扭矩传感器的分析及ANSYS仿真[J].仪 表技术，2014（10）：50-54.

压力传感器篇5

关键词：推压力传感器；计算机应用；检定；系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）09-2255-02

随着行业应用的不断发展，计量检定在不断的拓宽其应用领域，同时也面临着更高要求的考验。传统的推压力传感器，在工作效率和精准度上都存在着很大的不足。如何提高推压力计量检定的精度和速度，对于提高检定水平，主推科技发展都有着重大的意义。随着科技的发展，推压力计量检定采用计算机技术是个新的也是必然的趋势。计算机的应用实现了检定的半自动化或自动化，能大大提高工作的便捷性、可靠性。

1 推压力传感器检定技术的发展及存在的问题

在推压力传感器检定技术方面，检定的各个环节，传感器的研制开发、数据采集、数据传递、数据处理，包括检定精度、检定速度等都是业界密切关注、深入探讨的话题，并且均取得一定的突破。在传感器的设计生产上，目前最先进的工艺已开始采用半导体材料，同时结合全程高精准自动加工来生产。在检定应用方面，推压力传感器的性能得到进一步提高，其智能化、高效率、高可靠性方面都取得长足的进步。但是，由于发展水平和传统检定技术的制约，检定技术还存在多种不足之处。

首先，在传统设计方面，推力检定会产生多路数据，采用一台数字万用表检定一路数据，压力检定则采用一台万用数字表对应一个传感器。最后采用人工记录、处理。如此一来，推力传感器势必会因为仪器冗杂、线路繁琐、造成操作上的不便和管理上的复杂。由于人工数据处理，认为的误差甚至失误的几率就大大增加。同时处理效率低下、可信度不高也是不可回避的问题。

其次，在检定规程和人员操作上，也出现一些常见的问题。检定程序设计存漏洞，执行不完善。传感器的检定各个执行环节都必须严格。由于其数据冗杂，除了要求操作人员有较高的专业水平外，更应该有严谨的执行力。传统的检定程序使得检定人员可以认为的省略相关步骤，造成数据的可信度大大降低。对于推压力表的使用也是个很大的问题。由于人工读取数据，其精确度的意义就十分重大了。实际应用中操作人员可能还不能充分认识到数据精度的重要性，没有尽力避免误差，这在一些精度要求很高的领域问题就凸显出来了。实际的应用情况是相关的人员往往对误差概念和误差计算方法认识不深。出现精度等级，计算错误等多种问题。正是由于传统方法存在的各种不足，同时现代推压力传感器的检定技术的不断深入要求，引入计算机的应用就成为一个不然的趋势。

2 推压力传感器检定的计算机应用

将计算机引入压力传感器的应用，正是利用计算机的实时录入和精准传送和处理，弥补了传统的弊端，以其可靠性和精准性大大提高了检定工作的效率。下面就一般化的检定计算机配置及程序设计加以说明。

2.1 应用系统概况

该系统还是以万用数字表为基础，要求其带有数据接口，连接计算机进行控制。传统的检定传感器只能一台数字万用表连接显示一路传感器数据。引入计算机应用的核心部件在于继电器卡，可以通过它来控制万用表，能够显示多路数据。借此可以实现计算机高效采录数据。随后需要依据鉴定步骤编制程序对收录到的数据进行处理、传送。包括最后的图表显示、计量证书等都可以通过系统来处理。值得一提的是，系统通过设计，还可以实现数据的排查，及时报错打回重检，实现数据的存档，可供校对查阅。

2.2 软件开发要求

要实现传感器数据流程的自动化，就必须基于计算机编制开发出相应的程序。考虑到检定系统的实用环境，要求软件的时间必须有较好的系统兼容性、合适的编译代码、良好的交互界面以及开发的数据显示。首先需要选定合适的源程序编码，以C语言较佳。设计时，要注意到设置界面，供操作人员输入参数，包括待检测设备的参数、检测要求精度、检定范围等。要求设计监控窗口，包括数据记录窗口、数据处理窗口等，供操作人员判断检测，并能够按判断进行更改确认。要求设置超差点重测功能，按照模型判断超差，并进行重检。最后的数据处理要求设计打印模块，完成对表格和证书的打印。对于一些细小的方面，比如数据存储、检阅、读出等功能也要考虑。

2.3 软件功能区介绍

基于以上要求，系统的设计可以分成几个大的模块，包括传感器数据记录、数据检测、数据处理、判断超差处理四个模块。数据记录需要按照界面中操作人员输入的参数完成特定的数据录入。此处计算机应用的意义在于杜绝了认为录入带来的弊端。同时带有数据存档功能，调用功能。检测区可以交互窗口的形式显示实时数据的录入，操作人员可以根据直观的图表显示，把握录入的正常与否。数据处理区是在数据录入结束后系统自动按照预设的模型进行处理。模型的编制根据吸收以往传统的人工算法，进行计算机处理，得出多种要求指标。同时在该功能区设置打印功能。避免了误差，大大提供了处理效率。判断超差功能区是计算机技术应用的独特之处，人工无法做到对超差出现的及时发现及重测，计算机的应用实现了这一功能并可以设置精度等级。

总之，在传感器的检定中引入计算机应用，可以避免很多的人工操作的弊端。系统的核心原理部分就在于通过继电器卡实现了同台传感器数据的检定。系统在实际中的应用有着操作便捷、稳定性好、可信度高的优势。同时实现了数据的计算机化，便于处理与后期管理。能够满足推压力传感器的检定应用方面的要求。

参考文献：

[1] 任淑清.压力检定记录系统的设计与实现[J].高师理科学刊，2004，24（2）：26-27.

压力传感器篇6

关键词： 压力传感器； 信噪比； 噪声源； 压阻效应

中图分类号： TN60?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0136?03

Improvement of piezoresistive pressure sensor SNR

TANG Pei

（Business School， Hohai University， Nanjing 210000， China）

Abstract： The solutions of different noise sources （electrical noise and extrinsic noise caused by outside electric charge） are proposed on the basis of analysis on the working principle of the piezoresistive pressure sensor and main origin of noise. A reference for the design of future pressure sensor for high SNR is provided in this paper.

Keywords： pressure sensor； SNR； noise source； piezoresistive effect

0 引 言

由于噪声的存在，限制了一些低压量程的压阻式压力传感器（如生物医学领域）的使用，因为传感器中最小分辨率由器件的噪声水平决定，因此如何提高信噪比（SNR）将是低压量程传感器很重要的一个参数。下面将介绍压阻式压力传感器工作原理及噪声来源分析。

1 压阻式压力传感器简介

对半导体材料施加应力时，除产生变形外，同时也改变了其载流子的运动状态，导致了材料的电阻率发生了变化，称之为半导体的压阻效应。压阻式压力传感器就是基于上述的压阻效应组成的，由4个压阻条构成惠斯通全桥电路，如图1（a）所示，其中沿着截面可以看到压阻条在边界受力最大，如图1（b）所示。

图1 压力传感器示意图

等效的电路图如图2所示。在理想情况下，即没有施加压力，由于[R1，][R2，][R3，][R4]制作工艺相同，4个电阻条的阻值是相同的，此时惠斯通电桥的输出[Vout=0。]当有外界均布的压力[P]作用于膜片上面时，膜片发生了变形，每个电阻都变化了[ΔR，]其中[R1]和[R3]增大，[R2]和[R4]减小，[Vout=-VCC?ΔRR，]因此通过输出电压[Vout]大小可判定施加在压力传感器的应力[P]的大小。

图2 惠更斯全桥压力传感器的电路结构图

2 噪声来源

在MEMS系统中，噪声包括本征噪声和非本征噪声。非本征噪声主要来自于外界环境的干扰，比如外界震动等。然而在这里主要讨论本征噪声，即来自于器件本身的噪声，它往往限制MEMS传感器的一个方面。针对压力传感器，主要有机械噪声和电噪声。而系统的机械噪声主要有Brownian噪声，起因主要是由于Brownian力导致薄膜的机械波动。而电噪声源中主要有热噪声（也称Johnson噪声）和[1f]噪声。与热噪声相比，Brownian噪声可以忽略。因此在这里主要讨论电噪声，而电噪声也是限制了传感器的最小分辨率。

（1） 热噪声

热噪声普遍存在于器件当中，它是与器件绝对温度[T]的函数，在1 Hz带宽内其热噪声有如下公式：

[Vj=4kTR]

其中[R]为压阻条的电阻值；[k]为波尔兹曼常数。

（2） [1f]噪声

对于[1f]噪声的相关理论，McWhorter和 Hooge提出了两种不同的看法，这两种理论也是目前关于[1f]噪声起源的主要解释。McWhorter把[1f]噪声归因于器件表面效应，而Hooge表示[1f]噪声归因于体效应，实验表明[1f]噪声是由电阻的电导率波动引起的[1]。Hooge认为[1f]噪声的低频段噪声调节了热噪声，即使在没有电流流过电阻的情况下也是如此。热噪声和[1f]噪声在根本上是不同性质的，热噪声是电压噪声，因此不需要依靠电阻中的电流大小，相反，[1f]噪声是电导率噪声，因此其电压噪声是与电阻中的电流大小有关的。

Hooge的经验式的[1f]噪声模型与实验数据吻合，并推导出如下公式：

[V1f=Vbα（Nf）]

式中：[f，][N，][Vb]分别代表频率，电阻总的载流子数目，以及电阻两端的偏置电压。参数[α]用来衡量晶格质量，并在10-3和10-7范围内变化。测量频率降到4 μHz显示其噪声功率谱仍然与[1f]噪声吻合。 Harley和Kenny的实验表示，具有不同表面体积比的电阻拥有相同的[1f]噪声特性，而[1f]噪声与电阻体积成正比，这些实验结果与上述公式吻合。

3 SNR提高的方法

前面对噪声起源的定性分析，将针对各种噪声提出一些方法来降低噪声，从而提高信噪比SNR。由于压力传感器中噪声的主要来源是电噪声，也即热噪声和[1f]噪声，所以将主要分析如何降低电噪声。

根据上述热噪声和[1f]噪声的表达式，电噪声的降低措施主要包括改变压阻条的几何参数（厚度，长度，拐点数等），改变掺杂浓度以及薄膜的形状（材料晶向等）。

Bae通过考虑改变压阻条的几何形状及输入信号[2]来提高信噪比（SNR），其中几何形状包括压阻条的长度[L]以及拐点数[n。]由上述的噪声公式知[V1f]与压阻条总载流子数目[N]有关，也与电阻条阻值有关，而[Vj∝R，]也与电阻值有关，Bae等人在针对几何形状的压阻条推导出信噪比：

[SNR=VnoiseVin=4kBTV2inρlwtl+αqfwtl1l]

前半部分为热噪声，SNR随着压阻条长度[l]增加而增加，后半部分是[1f]噪声，SNR随着压阻条长度[l]增加而减小，因此两者趋势相反，需要折衷考虑求最优解。

若考虑SNR最大化，则对应的参数[（n，l）=]（10，2.7 mm），SNR=60，而假若考虑输出信号摆幅最大化，则[（n，l）=]（4，0.75 mm），对应的SNR=24，前者SNR是后者的2.5倍。为了使SNR最大化，需要以牺牲输出摆幅为代价。

C Pramanik等人研究了压力传感器SNR与压阻条长度[L，]厚度[d，]以及掺杂浓度的关系[3]，对应的图形如图3所示。由于[V1f∝1N，]即[1f]噪声与压阻条总载流子数目[N]成反比。随着掺杂浓度的增加，则压阻条总载流子数增加，对应的[V1f]降低，其SNR增加。同时SNR也随着长度[L]的增加而增加，增加幅度较明显，而SNR也随着厚度[d]的增加而增加，增加幅度不是很明显。因此考虑SNR最大化时主要考虑提高掺杂浓度和长度[l。]

图3 SNR与压阻条长度、厚度及掺杂浓度的关系

文献[4]考虑了相关的优化参数：薄膜的形状（圆形还是方块）；薄膜厚度的一致性（有没有中心凸起座）；压阻条的各向异性和弹性等。他们通过引入一个修正的信噪比参数[η]来优化薄膜的晶面和压阻条的晶向，其中[η]考虑了非线性与噪声的关系，但是没有考虑尺寸关系。由图4可以看到，在{110}薄膜上沿晶向排列的压阻条，比在{100}薄膜上沿晶向排列的压阻条的[η]大，因此当{110}薄膜为方形且有中心凸起座，而压阻条沿晶向排列，此时为最优化解，即其修正信噪比[η]最高。

图4 修正的信噪比参数[η]与角度关系

4 结 语

通过对噪声起源分析，并通过文献搜索与阅读[5?6]，汇集了一些有针对性的降低噪声的方法，这也为将来设计高信噪比的压力传感器提供了参考。但是上述的提高SNR方法中往往是以牺牲其他参数为代价的。例如提高掺杂浓度能够降低噪声和温度系数，但是也降低了灵敏度；而Bae 等人通过优化[n，][l]来提高SNR则是以牺牲输出摆幅为代价；而在传感器表面增加很厚的保护凝胶来抑制感应电荷的形成，由于凝胶弹性问题有可能引起严重的迟滞问题，即输出电压跟随输入气压变化时的延迟时间增加。因此器件设计往往是一个折衷式设计，往往需要考虑多个性能参数，来达到所需要的最优化方案。

参考文献

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[2] BAE B， FLACHSBART B R， PARK K， et al. Design optimization of a piezoresistive pressure sensor considering the output signal?to?noise ratio [J]. Journal of Micromech Microeng， 2004， 14： 1597?1607.

[3] BAE B， FLACHSBART B R， PARK K， et al. Design optimization of a piezoresistive pressure sensor considering the output signal?to?noise ratio [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering， 2004， 14： 1597?1607.

[4] KANDA Y， YASUKAWA A. Optimum design considerations for silicon piezoresistive pressure sensors [J]. Sens Actuators， A， 1997， 62： 539?542.

[5] HOA P L P， SUCHANECK G， GERLACH G. Low?frequency noise spectroscopy of semiconductor piezoresistive sensors [C]// Proceedings of 2000 MICRO Tech. [S.l.]： [s.n.]， 2000，2：711?715.

[6] BARLIAN A A， PARK WOO?TAE， MALLON J R， et al. Review： Semiconductor piezoresistance for microsystems [J]. Proceedings of the IEEE， 2009， 97（3）： 513?552.

压力传感器篇7

关键词：拖线阵，压力传感器

 

1.引言

压力传感器种类繁多，广泛应用于各个行业，常用的压力传感器感知探头上的压力变化，通过电路转换并引入相关补偿，将力信号转化为电信号，从而测得所在位置处的外界压力。

拖线阵是一种拖曳在舰艇远后方水域、可变深的大孔径线状声纳，通常比重与海水相当。拖线阵内部布置有各种声学和非声学传感器，以及相应的采集传输系统和电源系统。一般拖线阵内需要布置若干个压力传感器来获取拖线阵在水中运动时的深度信息。拖线阵内部需要填充液体或固体介质，以便使拖线阵保持一定形状并满足密度要求。

2.压力传感器的传统封装方式

在拖线阵中，传统的封装方式是将压力传感器浸没于护套内的填充介质中。拖线阵外界压力作用在护套上，通过介质传递到压力传感器探头，来测量拖线阵外部压力并转换为深度。

P= P0+Pm(1)

其中——

P：压力传感器探头测得的压力值；

P0：拖线阵外界的真实压力；

Pm：拖线阵护套、介质等因素产生的压力变化。

对于内部填充液体介质的拖线阵而言，液体可以视为不可压缩，压力可以在其内部传播，Pm主要受护套材料、初始充油压力影响。在拖线阵中制作过程中为了使护套外观更接近于圆形，或为了满足密度设计要求，会存在一个初始油压Pm（0.1~0.4MPa），由于聚氨酯护套会在一定温度和受力状态下发生蠕变，因此Pm是一个变化量，需要经常性地对传感器输出进行测量，扣除Pm的影响，来使得P接近P0。。

为了测量传统方式下对Pm压力传感器输出的影响，制作了一条试验阵，内部按照传统方式布置了一个压力传感器，然后静置在空气中。。该压力传感器输出如图1所示，可以看到在长时间存放过程中，由于护套发生蠕变、膨胀，护套内部填充介质压力下降，导致压力传感器的输出值显著减小。拖线阵实际使用过程中，会受到轴向拉伸和径向压力，再加上高温等因素影响，Pm变化更加明显，需要经常性测量该输出值，来对传感器输出公式进行修正，非常不便。

图1 传统方式传感器输出随时间变化

对于固体阵而言，如果将传感器探头浸没于固体填充材料中，由于固体填充材料自身具有一定的弹性模量，会影响外界压力向传感器探头的准确传递，此时传感器测得的压力值和变化均与外界环境真实情况有较大差异。

由此可见，传统的压力传感器封装方式在液体拖线阵中由于护套蠕变等影响，需要定期校准，在固体拖线阵中则难以测得真实值，这些都影响了它的实际应用。。

本文提出一种新的压力传感器封装方式，可以准确测量拖线阵所在位置的压力，从而得到真实深度。

3.压力传感器新的封装方式

按照前文分析，导致压力传感器传统封装方式不能精确测量外界压力的根本原因在于，压力传感器探头未能与外界环境直接接触，中间存在的若干环节阻碍了压力的真实传递。针对这一根本原因，新的封装方式采用传感器探头直接与外界接触，可以准确测量外界压力。

新的封装方式如图2所示，在不改变现有传感器型号的前提下，使传感器探头直接与外界介质接触，同时解决了由此带来的密封问题。

图2 新封装方式示意图

同样制作了一条试验阵，在新的封装方式下，压力传感器在空气中的输出如图3所示，由于不再受到内部填充介质的影响，压力传感器的输出稳定，其输出可以真实反映外界介质压力。为了验证新的封装方法的密封可靠性，进行了静态加压试验，最大压力达到3MPa，如图4所示。

图3 新方式传感器输出随时间变化

图4 新方式静态压力试验

在动态拖曳过程中，护套外流体边界层的动态压力变化也会被传感器感知，由于新的封装方式需要在光滑护套上加装两道金属圆环，并在护套上开孔，会影响护套表面的压力分布，因此需要在动态拖曳试验中对此影响进行评估。将两个同型号的传感器布置在同一条拖线阵中，分别采用传统封装方式和新封装方式，以便在相同状态下进行对比。

图4和图5分别是9m/s速度下传统方式封装方式和新封装方式的的测量结果，可以看到新的封装方式由于护套不光顺引起的压力变化（波动幅值）并不明显（传统方式输出均值较小是因为没有对其进行校准）。

图4 传统封装方式动态拖曳数据

图5 新封装方式动态拖曳数据

4.结论

压力传感器对于水下运动的拖线阵而言非常重要，是操作人员了解拖线阵工作深度的重要途径，其数值直接参与信号处理，传感器数出值是否真实有效直接影响声纳性能。本文提出了拖线阵中压力传感器的一种新的封装方式，并得到了以下结论：

（1）传统封装方式下，在液体拖线阵中由于护套发生蠕变，需要经常对传感器输出进行校准来使输出接近真实值；在固体拖线阵中，由于填充材料自身弹性模量的影响，传感器的输出值与真实情况会有较大差异。而新的封装方式将传感器探头直接与外界介质接触，从根源上避免了传统封装方式的缺点。

（2）新的封装方式需要使传感器探头直接与外界介质接触，会带来密封问题，本文提出的方法对此进行了有效解决，并在静态压力试验中进行了验证。

（3）动态拖曳试验中，表面金属圆环及开孔的存在并没有明显影响压力传感器输出，本文提出的新方法在动态拖曳中也可以满足使用要求。

新的封装方式克服了传统方式的弊病，能够真实反映外界介质的压力变化，不再需要经常性的校准，密封性能可靠，满足动态拖曳的需要，可以代替传统封装方式应用到拖线阵中。

压力传感器篇8

关键词:MEMS; 压力传感器; 温度控制; 零点漂移

中图分类号:TN911.7; TN86 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)14-0157-02

Design of Temperature Control System for Pressure Sensors

GUO Jiang

(College of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Abstract: A temperature control system for the SiC MEMS pressure sensor is designed as the pressure sensor is susceptible to high temperature, and easy to result in zero drift, and measurement error increase. A mathematical model for the system is established according to Cohen-Coon formula. And finally a temperature control system is achieved with the parameter self-tuning PID control algorithm to overcome the shortcoming of a large overshoot adjustment of pure PID control. The Similink module simulation model was set up by the Matlab Simulation software system. The simulation and testing verifies that the system can meet the design demands. The pressure sensor is hard to be compensated within a large temperature range is solved, with which the application of the pressure sensor in high temperature environments is achieved and the stability of the pressure sensor is improved.

Keywords: MEMS; pressure sensor; temperature control; zero drift

0 引 言

在微电子器件领域,针对SiC器件的研究较多,已经取得了较大进展,而在MEMS领域针对SiC器件的研究仍有许多问题亟待解决。在国内,SiC MEMS的研究非常少,因而进行SiC高温MEMS压力传感器的研究具有开创意义。碳化硅(SiC)具有优良的耐高温,抗腐蚀,抗辐射性能,因而使用SiC来制作压力传感器,能够克服Si器件高温下电学、机械、化学性能下降的缺陷,稳定工作于高温环境,具有光明的应用前景。

然而当外界温度较大时,压力传感器受温度影响精度不高,会产生零点漂移等问题,从而增大测量误差。于是尝试加工一个腔体,把压力传感器和温度传感器放置在里面形成一个小的封闭腔体,在外界温度较高或较低的情况下,用加热装置先升温到几十度并维持这一温度,给压力传感器做零点补偿,提高压力传感器的测量精度。这样就克服了在大温度范围难以补偿的问题。本文对这个温度控制系统提出了解决方案,采用了PID参数自整定控制,模糊控制属于智能控制方法,它与 PID 控制结合,具有适应温控系统非线性、干扰多、时变等特点[1-3]。

1 硬件系统

用放置在腔体内的温度传感器测量恒温箱内的温度,产生的信号经过放大后输出反馈信号,再用单片机进行采样,由液晶显示恒温箱内的温度,并通过温度控制算法控制加热装置。所使用的单片机为STC125408AD,自带A/D转换、EPROM功能,内部集成MAX810专用复位电路(外部晶振20 MHz以下时,可省外部复位电路),ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片[4]。硬件结构框图如图1所示。

图1 温度控制系统硬件系统结构框图

2 系统的控制模型

电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用┮唤转惯性环节描述温控对象的数学模型[5-8] 。

G(S)=K/(t′S+1) (1)

式中:K为对象的静增益;t′为对象的时间常数。

目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号,测取过程对象的阶跃响应,然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩(cohen-coon)公式确定近似传递函数。

cohn-coon 公式如下:

K=ΔC/ΔM

t′=1.5(t0.632-t0.28)

式中:ΔM为系统阶跃输入;ΔC为系统的输出响应;t0.28为对象上升曲线为0.28ΔC时的时间(单位:min);t0.632为对象上升曲线为0.632ΔC时的时间(单位:min);从而求得K=0.96,t′=747 s。所以恒温箱模型为:

G(S)=0.96/(747S+1) (2)

3 系统的控制模型仿真及实验结果

纯 PID 控制有较大超调量;而纯模糊控制由于自身结构的原因又不能消除稳态误差,稳态误差较大。所以,考虑把它们两者相结合,实现优势互补。本论文采用参数模糊自整 PID 控制[9-10]。

使用该模糊控制器在 Simulink 中构建整个控制系统,如图2所示。

图2 参数模糊自整定PID控制系统仿真结构框图

温度控制系统对应仿真结果如图3所示。

从上面的仿真结果表明:调节时间ts约为460 s,稳态误差ess=0,超调量σ%=0。虽然仿真环境不可能与实际情况完全相同,但它的结果还是具有指导意义的。

图3 给定值为80 ℃时温度控制系统的响应曲线

在实际测试中前10 min每30 s采样一次,后10 min每200 s采样一次,测得实验结果如表1所示。

表1 测试结果

时间 /s 温度 /℃ 时间 /s 温度 /℃

0 17.1 360 78.0

30 19.3 390 78.9

60 26.2 420 80.0

90 33.3 450 80.0

120 42.6 480 80.2

150 54.3 510 80.1

180 64.7 540 80.2

210 72.3 570 80.1

240 83.1 600 80.0

270 82.3 800 80.0

300 80.0 1 000 79.9

330 79.1 1 200 80.0

用Matlab软件处理表1中的测试数据,绘制成变化趋势图,如图4所示。

图4 80 ℃时温度控制系统的实验结果

图4为80 ℃时系统测得的实验结果,由实验结果表明,在实际测量中仍然有较小的超调量和稳态误差,但是基本接近仿真结果,不能排除一些干扰因素。仿真毕竟是在理想的环境下进行的。

4 结 语

本文设计了一种用于压力传感器的温度控制系统,针对压力传感器在高温下易产生零点漂移等问题,加工了恒温封闭腔体,把压力传感器置入其中,通过控制系统控制腔体内的温度,解决了高温压力传感器大温度范围难以补偿的问题,从而可以提高测量精度,通过仿真和实验相印证,本方案是可行的。

参考文献

[1]孙凤玲,于海超,王金文,等.硅压阻式压力传感器温度补偿建模与算法研究[ J] .微纳电子技术,2007,44(7):48-50.

[2]GRAF M, MULLER S K,BARRETTINO D. Transistor heater for microhotplatebased metal-oxide microsensors[ J] . IEEE Electron Device Letters, 2005,26(5):295-297.

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[4]叶丹,齐国生,洪强宁,等.基于单片机的自适应温度控制系统[ J] .传感器技术,2002,21(3):27-30.

[5]徐桂华.硅压阻式压力传感器的温度补偿[ J] .数据采集与处理,1994(3):11-13.

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[8]LI Yong-ke, DU Ya-ping.Application of intelligent signal-conditioning IC in micro-pressure measure[ C] . The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments, 2007.

压力传感器篇9

【关键词】无线传感器 网络 电力变压器 温度监测系统

在过去，传统监测工作主要采用人工定期巡检方式，既耗时又费力；随着科学技术不断进步，网络技术飞速发展，在无线网络传感器网络下建立电力变压器温度监测系统的技术手段已经日趋成熟，对电力变压器温度进行实时在线监测不仅可以使电力系统实时安全性得到大幅提升，也可以使变压器的维护与保养水准达到更高的要求。

1 电力变压器温度监测系统原理

电力变压器在无线网络下的测试监测系统主要通过在变压器终端设置一种特殊的信号接收仪器来实现对变压器绕组数据及变压器内部温度状态信息的不间断收集与监测。利用无线网络信息传输手段来将变压器终端状态的相关运行数据向监测中心进行不间断的反馈，以使监测中心可以及时发现变压器终端出现的各种异常情况与运行故障，准确判断故障发生位置，并将相关故障信息及时发送给检修人员，使其可以在第一时间赶到现场对变压器出现的运行故障进行维修等处理，最终实现变压器运行系统的远程无线网络监控。

在电力变压器无线温度监测系统中，首先通过温度传感器来收集变压器工作状态信息，然后利用无线网络发送模块将相关信息发送至无线网络信息接收模块，接收模块将信息传递到中央处理器，由中央处理器对信息进行分析处理并发送至相应编号的服务器，不同编号的服务器具有各自不同的地址编码，因此在监测中心可以区分不同服务器所显示的变压器实时监控温度数据，如果运行出现故障，该故障即可以被准确定位并及时进行处理。

2 无线传感器网络技术基础

2.1 GPRS技术

GPRS是英语General Packet Radio Service的缩写，即通用分组无线服务。该项服务主要采用分组交换技术，是一种效率较高的数据传输模式，在承载业务中也属于比较新兴的一类。该服务模式的前身是GSM系统，其主要的服务对象是GSM用户，通过分组形式来为其服务对象提供数据传输服务。GPRS所采用的无线调制标准、频带、TDMA帧结构与跳频规则，以及突发结构等均与GSM技术相同。其分组数据信道也同目前的电路交换语音业务采用了大致相同的设计，从而可以使现存的基站子系统可以提供较为全面的覆盖。由于GPRS的应用，使用户在各端之间以分组转移的模式进行信息的接收与发送成为可能，可以有效节省出电路交换模式中曾经被占用的网络资源。这样就为用户提供了价格更为合理且效率更高的通用分组无线服务，此类服务特别适用于间断的、少量的、频繁的或突发性的信号传输领域。

2.2 ZigBee技术

ZigBee技术属于一种新兴的无线网络技术，其主要特点包括距离近、数据速率低、成本低、复杂程度低、功耗低等。这种技术提案介于蓝牙技术与无线标记技术之间，其前身是FireFly技术或HomeRF Lite技术，主要应用领域是短距离的无线连接与数据传输等。该项技术的传输距离在十米到一百米之间，利用免费的2.4GHz波段作为工作频段，通过扩频技术与跳频技术的应用，使最高传输速率可以达到250Kb/s；同时，其网络架构还具备Master/Slave的属性，可以实现数据的双向传输。ZigBee技术要达到的主要目的就是建立一种高性价比的、可以实现长时间不间断的控制与监测的、低功耗的可靠无线网络系统。同时也带动了一套全球一体化的、开放的和完整的标准，这一解决方案的互操作性得到了全球相关领域的普遍认可。

3 电力变压器温度监测系统的硬件设计

电力变压器温度监测系统的基本单元是温度传感器的各个子节点模块，该基本单元主要负责对各个监测区域的运行温度数据进行收集与发送，主要包含数据处理模块、电源模块、通信模块以及数据采集模块这四个组成部分。因为被监测的区域处于变电站中的变电箱之内，在子节点的电力供应方面主要采取电池供电的方式。因为电池往往只能提供有限的能量，在进行通信协议设计与节点电路设计的过程中，尤其应当注意对节点的能耗加以控制；不同模块均应以低功耗为重要的选择原则。

同时，也应当重视电力变压器温度监测系统汇聚节点的设计工作。电力变压器温度监测系统的汇聚节点是整个监测系统的数据汇集中心，主要负责数据的存储、调度、查询、管理以及数据融合等处理工作。其主要任务为：对子节点的运行加以控制、通过无线数据网络或以太网来上传信息，接收子节点收集的相关信息和上级用户下达的各项指令等。换言之，汇聚节点是一座架设在用户与传感器之间的通讯桥梁。

4 结语

总而言之，电力变压器是电力系统中的一种重要的输变电设备。对于电力变压器运行状态的精确监控，可以及时发现运行异常，并采取相应措施对相关故障进行及时有效的处理。进而使电力系统具备更高的安全性、经济性与可靠性。本文对在无线传感器网络下电力变压器温度监测系统进行了分析和研究。

参考文献

[1]侯丹，卫广远，钱政等.变压器绕组热点温度监测中光纤光栅传感器的应用研究[J].电测与仪表，2014，（21）：47-51.

[2]朱文兵，陈玉峰.电力变压器状态监测参量及监测方法综述[J].山东电力高等专科学校学报，2011，14（6）：8-12.

作者单位

1.国网山东省电力公司培训中心 山东省济南市 250000

2.国网山东省电力公司 山东省济南市 250002

压力传感器篇10

关键词 压力传感器 微机电 迈克尔逊干涉仪 光的干涉

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A

1设计方案

本设计采用将压力/压强信号转化为易测的光信号的方案，通过检测激光强度的手段检测压力/压强的大小。此方案在传感器的响应速度和集成性上做出创新。如图1所示，本设计由压力变形和光学检测两个单元构成。在压力变形部分中，我们采用微机电薄膜获得压力/压强引起的变形。此微机电薄膜是一种微米量级的硅材料薄膜，拥有对压力/压强敏感性高，体积小易于集成的有点。收到外力压迫将产生微米量级的形变。在光学检测部分中，我们采用迈克尔逊干涉仪将被分开的两束同源光波进行干涉。光波A到检测器的路径恒定，而光波B到检测器的路径受微机电薄膜的形变影响。因此，光束A和B的干涉强度受形变决定。所以，对干涉波的强度检测，能够确定薄膜的形变，进而推算出压力/压强大小。

图1：压力传感器系统的压力变形（右）和光学检测（左）单元

2工作原理及性能分析

2.1微机电薄膜的形变

本设计中的微机电薄膜采用在电子芯片中广泛应用的硅材料。在硅基片上刻蚀出凹槽形成薄膜，然后将凹槽密封。因此，在外界的压力作用下，薄膜将向内凹陷。此外，薄膜上镀有一层金属反射面，用以反射光束。根据文献，半径为r，厚度为t的圆状薄膜在压强p的作用下，形成的中心形变x可以表示为

（1）

其中D为薄膜的屈曲刚性，可以表示为

（2）

其中E为硅材料的杨氏模量约190GPa，v为硅材料的横向变形系数0.25，h为薄膜厚度，代入（1）、（2）式可得

2.2迈克尔逊干涉仪的工作

如图1左部分所示，迈克尔逊干涉仪中，从同一光源出发并由分光计分开的两束光进行干涉。两束光的传播路径差决定了干涉强度。在薄膜无形变时预设为加强干涉，那么在薄膜形变x时光强为

其中I0为单束光强， 为光波长。上式为周期的函数，假设波长为9.25×10-4mm，则单调下降区间为0～GPa，其中h和a的单位为毫米。现讨论两组参数：（1）h=0.1mm，a=1mm；（2）h=0.05mm，a=1mm。因此

I1的单调下降区间为0～510-4GPa，I2的为0～0.62510-4GPa，此即两种参数下的测量范围。设I0为1，则光强如图2所示，

图2

两组参数相比较，第一种参数可测范围大，而第二种参数灵敏性高（这里灵敏性我们定义为单位压强差变化对应的干涉强度的变化量）。