原标题：二线制压力传感器

应用领域:工业电子

方案类型:成品

主要芯片:SH79F085

方案概述

概述:二线制压力传感器可接入扩散硅、压阻陶瓷压力传感器,输出4-20mA电流信号;具有线性、温度校正功能。

应用场景:工业压力采集线程

方案特点:扩散硅传感器采用恒流驱动、压阻陶瓷采用恒压驱动,二线制接法;采用17位集成ADC;通过写入不同的校正数据可实现压力无校正、线性校正和温度校正压力精度。电路板尺寸小,可集成于其它设备中;数字化校正,具有自动校正接口。可应用于不同量程的压力传感器。

实物图:

技术参数:

输入电源:DC12~36V

温度校正范围:-20℃～+60℃

精度:±0.1% FS (视校正方式及写入数据而定)

适用于扩散硅、陶瓷压阻压力传感器芯体

测量量程可根据传感器修改

【SH79F085】

描述

SH79F085是一种高速高效率8051兼容单片机。在同样振荡频率下,较之传统的8051芯片它具有运行更快速,性能更优越的特性。

SH79F085保留了标准8051芯片的大部分特性,包括内置256字节RAM和2个16位定时器/计数器,1个UART和外置中断INT0、INT1、INT2。此外,SH79F085还集成了256字节RAM,可兼容8052芯片的16位定时器/计数器(定时器2)。SH79F085单片机还包括适合于程序和数据的8K字节Flash。

SH79F085不仅集成EUART标准通讯模块,还集成了20位Σ-Δ模数转换器模块(ADC)。为了达到高可靠性和低功耗,SH79F085集成了看门狗定时器,具有低电压复位功能,提供了2种低功耗省电模式。

特性

■基于8051兼容流水指令的8位单片机

■Flash ROM: 8K字节

■RAM:内部256字节,外部256字节

■EEPROM:内建512字节

■工作电压:VDD = 3.0V – 5.5V

■振荡器 (代码选项):

- 晶体谐振器:400kHz – 16.6MHz

- 晶体谐振器:32.768kHz

- 内部RC振荡器:16.6MHz

- 内部RC振荡器:128kHz

■15/19个CMOS双向I/O管脚

- TSSOP20:15个

- SOP24:19个

■I/O内建上拉电阻

■4个16位定时器/计数器T0,T1,T2,T3

■增强型UART

■中断源:

- 定时器0,定时器1,定时器2,定时器3

- 外部中断INT0 - 2

- ADC,EUART,SCM

■蜂鸣器输出

■在系统编程 (ISP)

■内建模拟电路电源稳压器

- 输出电压:2.7V

■20位Σ-Δ模数转换器 (ADC)

- 20位数据输出,17位分辨率

- 2/3路差分输入

■内建可编程增益放大器 (PGA)

- 12.5X ~ 200X

■内建的低电压复位功能 (代码选项)

- LVR电压:3.1V

- LVR电压:4.3V

■CPU机器周期:一个振荡周期

■看门狗定时器 (WDT) (代码选项)

■内建振荡器预热计数器

■低功耗工作模式:

- 空闲模式

- 掉电模式

■Flash型

■封装:TSSOP20/SOP24封装

【压力传感器】

压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。

压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型,压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。

-摘自JJG860-2015

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业,下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。另有医用压力传感器。

重载型

重载压力传感器是传感器中一种,但是我们很少听说这种压力传感器,它通常被用于交通运输应用中,通过监测气动、轻载液压、制动压力、机油压力、传动装置、以及卡车/拖车的气闸等关键系统的压力、液力、流量及液位来维持重载设备的性能。

重载压力传感器是一种具有外壳、金属压力接口以及高电平信号输出的压力测量装置。许多传感器配有圆形金属或塑料外壳,外观呈筒状,一端是压力接口,另一端是电缆或连接器。这类重载压力传感器常用于极端温度及电磁干扰环境。工业及交通运输领域的客户在控制系统中使用压力传感器,可实现对冷却液或润滑油等流体的压力测量和监控。同时,它还能够及时检测压力尖峰反馈,发现系统阻塞等问题,从而即时找到解决方案。

重载压力传感器一直在发展,重载压力传感器为了能够用于更加复杂的控制系统,设计工程师必需提高传感器精度同时需要降低成本便于实际应用等要求。

分类

多传感器信息融合技术的基本原理就像人的大脑综合处理信息的过程一样,将各种传感器进行多层次、多空间的信息互补和优化组合处理,最终产生对观测环境的一致性解释。在这个过程中要充分地利用多源数据进行合理支配与使用,而信息融合的最终目标则是基于各传感器获得的分离观测信息,通过对信息多级别、多方面组合导出更多有用信息。这不仅是利用了多个传感器相互协同操作的优势,而且也综合处理了其它信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化。

压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压力,但这种结构尺寸大、质量重,不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展,半导体传感器向着微型化发展,而且其功耗小、可靠性高。

扩散硅压力变送器

扩散硅压力变送器是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。它能将感受到的液体或气体压力转换成标准的电信号对外输出,DATA-52系列扩散硅压力变送器广泛应用于供/排水、热力、石油、化工、冶金等工业过程现场测量和控制。

性能指标:

测量介质:液体或气体(对不锈钢壳体无腐蚀)

量程:0-10MPa

精度等级:0.1%FS、0.5%FS(可选)

稳定性能:±0.05%FS/年;±0.1%FS/年

输出信号:RS485、4~20mA(可选)

过载能力:150%FS

零点温度系数:±0.01%FS/℃

满度温度系数:±0.02%FS/℃

防护等级:IP68

环境温度:-10℃～80℃

存储温度:-40℃～85℃

供电电源:9V～36V DC;

结构材料:外壳:不锈钢1Cr18Ni9Ti

密封圈:氟橡胶

膜片:不锈钢316L

电缆:φ7.2mm聚氨酯专用电缆

半导体压电阻型

半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力,通过外力(压力)使薄片变形而产生压电阻抗效果,从而使阻抗的变化转换成电信号。

静电容量型

静电容量型压力传感器,是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容,将通过外力(压力)使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 (E8Y的动作原理便是静电容量方式,其他机种采用半导体方式)。

接线方法

传感器的接线一向是客户采购过程咨询得最多的问题之一,很多客户都不知道传感器如何连线,其实各种传感器的接线方式基本都是一样的,压力传感器一般有两线制、三线制、四线制,有的还有五线制的。

压力传感器两线制比较简单,一般客户都知道怎么接线,一根线连接电源正极,另一个线也就是信号线经过仪器连接到电源负极,这种是最简单的,压力传感器三线制是在两线制基础上加了一个线,这根线直接连接到电源的负极,较两线制麻烦一点。四线制压力传感器肯定是两个电源输入端,另外两个是信号输出端。四线制的多半是电压输出而不是4~20mA输出,4~20mA的叫压力变送器,多数做成两线制的。压力传感器的信号输出有些是没有经过放大的,满量程输出只有几十毫伏,而有些压力传感器在内部有放大电路,满量程输出为0~2V。至于怎么接到显示仪表,要看仪表的量程是多大,如果有和输出信号相适应的档位,就可以直接测量,否则要加信号调整电路。五线制压力传感器与四线制相差不大,市面上五线制的传感器也比较少。

螺纹类型

压力传感器的螺纹有很多种,常见的有NPT、PT、G、M,都是管螺纹。

NPT 是 National (American) Pipe Thread 的缩写,属於美国压力传感器标准的 60 度锥管螺纹,用于北美地区.国家标准可查阅 GB/T12716-1991

PT 是 Pipe Thread 的缩写,是 55 度密封圆锥管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族,多用於欧洲及英联邦国家.常用於水及煤气管行业,锥度规定为 1:16。国家标准可查阅 GB/T7306-2000

G 是 55 度非螺纹密封管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族.标记为 G 代表圆柱螺纹。国家标准可查阅 GB/T7307-2001

M 是公制普通螺纹,如M20*1.5表示直径为20mm,螺距为1.5,如客户无特殊要求,压力传感器一般为M20*1.5螺纹。

另外螺纹中的1/4、1/2、1/8 标记是指螺纹尺寸的直径,单位是英寸。行内人通常用分来称呼螺纹尺寸,一寸等于8分,1/4 寸就是2分,如此类推。G 好像就是管螺纹的统称(Guan),55、60度的划分属于功能性的,俗称管圆。螺纹由一圆柱面加工而成。

ZG俗称管锥,即螺纹由一圆锥面加工而成,一般的水管压力接头都是这样的,老国标标注为Rc

公制螺纹用螺距来表示,美英制螺纹用每英寸内的螺纹牙数来表示,这是压力传感器螺纹最大的区别,公制螺纹是60度等边牙型,英制螺纹是等腰55度牙型,美制螺纹60度。公制螺纹用公制单位,美英制螺纹用英制单位。

管螺纹主要用来进行压力管道的连接,其内外螺纹的配合紧密,压力传感器管螺纹有直管与锥管两种。公称直径是指所连接的压力管道直径,显然螺纹大径比公称直径大。 1/4,1/2,1/8是英制螺纹的公称直径,单位是英寸。

工作原理

1、压阻式压力传感器

电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。

2、陶瓷压力传感器

陶瓷压力传感器基于压阻效应,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。

3、扩散硅压力传感器:

扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应,利用压阻效应原理,被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,利用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

4、蓝宝石压力传感器:

利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量特性。因此,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移。

5、压电式压力传感器:

压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

无法避免误差

在选择压力传感器的时候我们要考虑他的综合精度,而压力传感器的精度受哪些方面的影响呢?其实造成传感器误差的因素有很多,下面我们注意说四个无法避免的误差,这是传感器的初始误差。

首先的偏移量误差:由于压力传感器在整个压力范围内垂直偏移保持恒定,因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。

其次是灵敏度误差:产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值,灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值,那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。

第三是线性误差:这是一个对压力传感器初始误差影响较小的因素,该误差的产生原因在于硅片的物理非线性,但对于带放大器的传感器,还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线,也可以是凸形曲线称重传感器。

最后是滞后误差:在大多数情形中,压力传感器的滞后误差完全可以忽略不计,因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。

压力传感器的这个四个误差是无法避免的,我们只能选择高精度的生产设备,利用高新技术来降低这些误差,还可以在出厂的时候进行一定的误差校准,尽最大的可能来降低误差以满足客户的需要。