基于Z-力敏元件的测力研究*

江　东，单　薏，刘绪坤，杨嘉祥，王德玉

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨150080）



基于Z-力敏元件的测力研究*

江东*，单薏，刘绪坤，杨嘉祥，王德玉

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨150080）

摘要：Z-力敏元件是一种新型的半导体器件，输出为与压力应变有一定对应关系的频率量，该器件具有分散性、非线性、温度特性、零点漂移等特性，须通过硬件或补偿软件才能实际应用。本文对Z-力敏元件的特性进行了研究，通过三次样条插值方法实现力敏元件的线性化，通过二次插值方法实现温度补偿，通过加载时重量突变编程锁定的方法解决零点漂移。实验表明，通过数字化补偿后Z-力敏元件可输出与被测压力应变成正比的线性输出，该研究为Z-力敏元件的实际应用奠定了基础。

关键词：压力传感器；非线性补偿；温度补偿；零点漂移

具有模拟量输出的压力应变传感器按材料分类有电阻式［1-2］、电感式［3-4］、电容式［5-7］、陶瓷式［8-9］和半导体式等［10-11］。这些压力传感器在数字化测量系统中应用需要首先进行A/D转换［12-14］，电路设计比较复杂。Z-力敏元件构成的力传感器属于半导体材料，但与传统半导体材料构成的力传感器不同，传统的半导体测力原理是力改变半导体的电阻值，通过测量电阻值实现力的测量。Z-力敏元件的工作原理是力改变半导体的输出频率，输出频率与所受压力应变具有确定的关系，可直接输出数字信号，因此可省去A/D转换环节，因其简单、方便、成本低，所以应用前景广泛。由于Z-力敏元件的工作机理是半导体性质，其存在着分散性、非线性、温度特性和零点漂移等特性［15］，因此需要通过补偿方能实际应用。本文通过软件补偿的方法解决上述问题。

1　Z-力敏感元件工作电路

Z-力敏元件工作电路如图1所示。

工作电路由Z-力敏元件、电容和电阻构成。其原理：Z-力敏元件具有负阻效应，利用其负阻效应可构成电容的充放电电路。Z-力敏元件的振荡电路可输出频率信号，其值与压力应变有确定的关系。将具有负阻效应的临界电压称为跳变电压，用Uth表示，当达到跳变电压时输出电压由高跳变到低。实测电容为0.01 μF～0.47 μF，电阻为5 kΩ～20 kΩ有稳定的频率输出信号。

图1　Z-力敏元件工作电路

当电容值较小时输出频率和应变灵敏度较高，但零点漂移也大。电容值过大或过小以及电源电压过高或过低电路都不能保持振荡输出。输出信号幅度在正常范围内随压力应变加大输出频率值的递增速率略有下降。为提高测量电路的输入阻抗和波形整形选用LM358型号的运算放大器，见图2。

图2　Z -力敏元件波形整形电路

图2中前级运放A1提高输入阻抗，后级运放A2起波形整形的作用，A2输出端波形如图3所示。

图3　Z-力敏元件输出波形

为提高系统抗干扰能力，经过编程设计上限截止频率f上截止=5 kHz，经过滤波后的输出波形，见图4。

图4　经过滤波后的输出波形

设计的整形电路由R2、R3、C2和T构成，整形后的输出信号uo2的波形如图5所示。

图5　整形后的输出波形

取上限截止频率f上截止=5 kHz，经过滤波后的整形波形见图6。

图6　经过滤波后的整形波形

图6中滤波后的整形波形的频率略低于图4，是由于在图2测量电路中数据采集器的输入阻抗较小，接入电路后使输出频率增加。由此看出，提高测试系统的输入阻抗可以提高系统的抗干扰能力。

为了进一步减小测试系统对组态电路的影响，可采用光电耦合器实现组态电路与测量电路的隔离，见图7。

图7　Z-力敏元件光电隔离电路

图7采用TIL117光电耦合器。左边接Z-力敏元件的工作电路，所用电源电压是VCC1，右边输出耦合数字信号，所用电源电压是VCC2。

2　Z-力敏元件工作特性

为了解Z-力敏元件的工作特性，实测了压力应变与输出频率之间的关系。图8给出了两个型号的Z-力敏元件在不同温度下的输出频率曲线。

图8　不同温度下的输出频率曲线

图8可见Z-力敏元件的工作特性：①分散性：不同型号的Z-力敏元件应变与输出频率具有不同的关系曲线，即：f1(ε,t)≠f2(ε,t)（其中ε为敏感元件所受压力应变，t为时间，f为输出频率）。输出频率范围一般在800 Hz～2 400 Hz。分散性需要通过制作Z-力敏元件时尽量采用相同的材料和加工条件，以使其输出特性接近；②非线性：各种型号的Z-力敏元件输出频率与所加的压力应变不是线性关系，即输出频率f (ε)=g(ε)之间的关系是非线性关系。通过实验可知Z-力敏元件随所受压力应变的增加，输出频率的增量呈减小趋势，非线性的问题可以通过非线性补偿的方法加以解决；③温度特性：由于Z-力敏元件实质是半导体器件，因此具有输出频率受温度影响的特性，Z-力敏元件随温度的增加输出频率均随之增加，f1(ε,T1)≠f1(ε,T2)其中ε为敏感元件所受压力应变，T为温度，f为输出频率，即同一个Z-力敏元件在所受压力应变相同而温度不同时输出频率不同。解决温度特性的影响可通过温度补偿的方法加以解决；④零点漂移特性：随时间的推移，输出频率缓慢变化；⑤重复性：工作条件相同时一般输出频率是相同的。

3　系统补偿及温度漂移处理

3.1非线性补偿

由于Z-力敏元件随所受压力应变与输出频率为非线性关系，需要通过补偿才能具有线性化输出。补偿可以采用硬件方法，但硬件补偿将会增加成本，并且很难在整个量程区间保证测量精度，而软件补偿方法可以实现逐点校正，软件补偿原理见图9。

图9　基于Z-力敏元件软件补偿原理图

实测20℃输出频率与压力应变对应关系，见表1。采用3次样条插值方法，用分段三次多项式曲线光滑地连接相邻样本点，整体上具有函数、一阶和二阶导数连续性。针对表1输出频率与压力应变对应值，采用三次样条插值结果见图10。

表1　20℃实测压力应变与输出频率

图10　20℃非线性补偿

通过三次样条插值计算，可以得到传感器任意输出频率下所对应的压力应变实际值。加载线性变化压力应变时输出为线性化频率。

3.2温度补偿

通过对Z-力敏元件工作特性的研究得知，不同温度下，Z-力敏元件输出频率与压力应变关系曲线不同。必须考虑温度影响，通过温度补偿实现传感器的线性化输出。以5℃～10℃，每间隔5℃实测压力应变对应的频率输出，表2给出10℃～50℃间隔10℃的测量结果。

表2　不同温度实测输出频率与压力应变　单位：Hz

为了实现不同温度的补偿，采用二次函数的插值计算方法，将温度值和输出频率作为自变量，压力应变作为函数。

通过一元函数插值方法获得等间距频率量对应的应力应变，由此获得二次函数的插值点，计算结果见表3。

表3　二次函数插值点

Z -力敏元件输出频率与压力应变呈单调对应关系，满足分段三次插值的运算条件，表3中自变量插值点和温度均为等间距取值，分段三次插值计算结果，见图11。

图11　分段三次插值计算结果

Z-力敏元件测力系统工作时，由温度传感器测出实际温度值，单片机的定时器和计数器测量出压力应变下的频率值，通过分段三次插值计算公式［16］：

其中，f为被测频率，T为环境温度，ε为压力值，f1为当前实测频率，T1为当前环境温度，ε1为插值后得到的实测压力值。

为清楚地看出频率、温度取值与测量压力关系，通过数据处理得到等压力线，见图12。

图12　等压力线

由图12可以清楚地看出压力与频率和温度之间的分布关系。

通过三次插值实现温度补偿后，以频率信号输出被测压力。输出频率与被测压力关系，见表4。

表4　输出频率与被测压力关系

由表4看出，频率对应压力应变的灵敏度为SI=1 Hz/g，输出频率和压力应变呈线性对应关系。

3.3零点漂移处理和自校零功能实现

随时间变化，输出频率也缓慢变化，一般呈现逐步上升趋势，1分钟漂移1 Hz～3 Hz左右，且具有累积特性，若间隔时间超过几十分钟以上，可达到几十赫兹的偏移。

在实测时加重物一般是一个突然变化量，每秒钟一般变化量超过3 Hz以上。根据这一特点可以区分零点漂移信号与实测信号。通过程序判断加重物稳定后进行锁定的办法来克服零点漂移的影响。通过程序判断，若频率值变化在5秒钟内不超过3 Hz可认为已达到平衡，立即将该值锁定保持这一测量值，从而避开了零点漂移的影响。当检测出有重物变化，即每秒钟变化3 Hz以上时可判断出有重物加载，此时进行解锁操作，程序将继续进行跟踪测量，并运行测量校正程序。

零点漂移处理程序框图见图13。

图13　零点漂移处理程序框图

为了能够给出各压力应变ε所对应的正确输出频率值f，每次测量时均需进行校零。通过程序判断，实现自校零功能。

3.4测量速度与精度的关系

常规设计中为了提高系统测量精度和提高系统抗干扰能力，Z -力敏元件需要通过程序对测量数据求平均值以实现数字滤波。但当被测信号产生突变时，因为原始数据是变化前的数据求平均值，这些值与突变数据一起求平均值会影响跟踪被测信号的速度，因此出现了精度和速度的矛盾。为了解决采样精度和速度的矛盾，本文提出可变精度算法，其框图见图14。

通过图14的程序处理解决了压力应变ε突然变化时系统响应速度慢的问题。

可变精度算法和不可变精度算法与测量结果比较见图15。

图15　可变精度算法与不变精度算法比较

图中黑色线为未经处理的压力应变ε突然改变的频率值的变化曲线，蓝色虚线为通过普通求平均得到的频率变化曲线，红的实线为通过可变精度算法得到的频率变化曲线。对比可以看出，红色实现跟踪测量值的速度很快，并且随时间推移其精度逐渐提高。蓝色虚线则反应较慢。由此解决了速度和精度之间的矛盾。

4　Z-力敏元件的测试系统

Z-力敏元件输出数字量可通过单片机实现补偿，其测试系统见图16。

图16　Z-力敏元件测试系统

图16中除了常规的键盘、显示和通讯接口设计外增加了串行接口电可擦写存储器24C02，用于存储补偿数据。该测试系统结构简单，成本低，可实现传感器小型化等批量生产。利用单片机定时、计数功能测量传感器的输出频率。ICL232为通讯接口芯片与RS232接口连接用以实现AT2051与PC机之间的双向数据通讯。

5　实测数据及误差分析

为验证分析方法是否正确，逐次给Z-力敏元件外加1 kg～10 kg压力，记录测试系统的输出频率，见图17。由实测可知，系统输出最大绝对误差是10 Hz，对应压力误差为10 g，最大相对误差为1.2%。

图17　测试系统线性度

6　结束语

通过对Z-力敏元件特性研究得出：利用Z-力敏元件在相同测量条件下具有重复性来解决存在的分散性、非线性、温度特性、和零点漂移特性等问题。通过三次样条插值方法可以解决分散性、非线性和温度对测量的影响；利用实测加载时的重量突变可以区分被测信号和零点漂移信号，通过程序锁定实测重量，避开了零点漂移的影响；通过程序判断是否为未加载状况实现系统的自校零功能。此外，提出的可变精度测量方法，可加快测量速度，解决了精度与速度的矛盾。通过标准化的频率输出统一了被测信号的频率输出值。研究结果为Z-力敏元件测力的实际应用奠定了基础。

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江　东（1960-）男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，主要研究方向为电工理论新技术、传感器开发及应用，wdyu2004@ 163.com；

单　薏（1972-）女，黑龙江哈尔滨人，讲师，主要研究方向为电工理论新技术及其应用，Shanyi_72@sohu.com。

Research on Testing Force Based on Z-Sensitive Element*

JIANG Dong*，SHAN Yi，LIU Xukun，YANG Jiaxiang，WANG Deyu
（College of Electrical &Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：Since Z-sensitive element is a semiconductor element that exists dispersion，nonlinearity，temperature characteristics，zero drift characteristics，the amount of output frequency are correspondence to strain of the pres⁃sure，it can be applied only after compensation.The characteristics above of the Z-force-sensitive components were researched in this paper.The dispersion and nonlinear of the force-sensitive element is solved by cubic spline inter⁃polation method.The temperature characteristics exist is solved by quadratic interpolation method.The zero drift characteristics are solved by lock method through program.Experiments show that through digitization compensated Z-force-sensitive components the output frequency of the test system can directly proportional to the measured pres⁃sure strain.The research results lay a foundation for practical application of Z-force-sensitive element.

Key words：pressure sensors；nonlinear compensation；temperature compensation；zero drift

doi：EEACC：7100；7210；723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.006

收稿日期：2015-09-10修改日期：2015-10-23

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）02-0182-06

项目来源：国家自然科学基金项目（51377037）