一种高精度压力传感器的设计与实现

李彦芳，杨晓斌，郑 璐，刘 珂

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

一种高精度压力传感器的设计与实现

李彦芳，杨晓斌，郑 璐，刘 珂

（中国飞行试验研究院 陕西 西安 710089）

基于飞行试验中压力测试需求，通过研制高精度的压力传感器，来实现压力的精确测试，保证型号任务的完成。从航空测试应用的角度出发，论述了高精度压力传感器的设计思想和实现方法。针对影响传感器性能的重要误差指标，进行校准技术研究，使压力传感器实现智能化自校准功能；通过进行电磁兼容设计，进一步提升了压力传感器的环境适应性。

压力传感器；高精度；实时自校准；电磁兼容

高精度压力传感器是航空领域应用非常广泛的传感器，如何使压力传感器在特殊的测试环境中保持高的测量精度，传感器的性能设计成为研究关键。在进行压力传感器设计时，须考虑以下几点关键技术[1]。

1）传感器的测量精度

压力传感器作为测量系统的关键组成部分，其精度影响到整个环节的准确性；只有通过高精度的传感器，与之匹配的高分辨率采集系统才能够产生高精度的数据。在传感器的设计中，提高精度是一项重要的研究内容。

2）传感器的环境适应能力

当压力传感器应用于航空测试时，环境的影响有可能是造成测量误差的最大原因。工作环境面临温度剧变、低气压、振动、加速度等。传感器的环境适应性是实现准确测量的关键。

3）传感器的电磁兼容性能

随着航空技术的发展，精密电子设备在飞行器上的应用日益增多，布局更加密集，使电磁兼容的问题显得更加突出。为使传感器能够正常工作，并且不对外界设备产生干扰，需要提高传感器的电磁兼容能力。

此外，航空用压力传感器受到安装空间类型、尺寸与静载荷分配指标的限制，需要能够承受机载电源的波动影响，以及承担定量分配的可靠性指标[2]。

1　压力传感器工作原理

依据典型的测量系统的结构，将压力传感器设计为由压力敏感元件、信号调理电路和电源电路等功能模块构成的结构。压力敏感元件的主要功能是对被测压力进行检测和转换，把非电量转换为电量值。信号调理电路的功能为对第一级的测量信号进行调整，变成便于控制处理的标准信号。电源电路将外部供电电源转换为二次电源，供信号调理电路使用。

2　传感器设计

2.1压力敏感元件选用

压力敏感元件的构成原理有压阻式、压电式、谐振式等多种方式，其中利用半导体的压阻效应制成的压阻式敏感元件应用最为广泛。如图1所示，压阻式敏感元件通过硅膜片上的等臂差动惠斯登全桥作为敏感检测电路，以获得最高的灵敏度和最高的输出线性度[3]。

衡量传感器性能的主要技术指标有：非线性、迟滞、重复性及漂移误差等。常用的总精度计算方法为非线性、迟滞、重复性三项误差的均方根[4]。随着微机械加工技术的发展，压阻式敏感元件能够获得良好的可重复性、低迟滞性和长期稳定性（迟滞和重复性误差属于离散分布的随机误差，具有随时间变化的不稳定性[5]），在实际使用中需要解决的主要问题是温度漂移和非线性。

图1　典型的惠斯登全桥

2.2传感器实时智能自校准设计

温漂和非线性补偿的传统方法在模拟域进行，方法复杂、效果差。在文中的设计方案中，采用可编程信号调节器PGA309，通过智能化的模拟-数字混合信号调理技术对传感器进行线性修正及温度补偿，解决了敏感元件的固有误差问题，使压力传感器实现了实时智能自校准，有效提升了精度和环境适应性。

压力传感器信号调理电路设计图如图2所示。该电路通过运算放大器构建恒流源，对压力敏感元件进行激励，并采用可编程模拟信号调节器PGA309，将压力敏感元件输出的微小信号放大后进行线性化处理，对系统温度漂移误差进行修正，同时实现温度测量、输出过量程限制、故障检测、数字化校准等功能[6]。

图2　压力传感器信号调理电路图

2.2.1温漂校准设计

基于实际测量产生压力传感器的数学模型，如式（1）所示，传感器与温度和输入压力之间的关系用N阶多项式描述[7]。该模型用于计算产生相对于温度的补偿系数。

K（P，T）是传感器相对于激励电压的灵敏度，它是两个变量（输入压力P和温度T）和7个系数的单值函数，系数n0～n6是模型参数。

通常需要使用3个N阶多项式建立测量值的N×N×N数组以拟合模型[8]。可以用7个测量值拟合所有的7个模型参数。校准传感器需要对3个温度点的零位和满量程的温度漂移误差进行二阶曲线拟合。利用标定好的低温、常温、高温3个点的零位及满量程输出数据，可构建一组分为多段的校准系数，代表传感器的漂移补偿量。校准系数分为17段，以温度采样转换的结果作为索引值，按最小读数到最大读数的顺序来创建，数值单调递增以实现查询功能，各数据点之间使用线性内插法获取校准系数。

压力传感器的温漂校准与增益调整相结合而进行。增益功能通过3步来完成：前端调整、增益细调、输出放大。其中，增益细调通过16位的增益DAC控制，与之类似，零位调整通过16位的零位DAC实现。在每一次温度ADC转换完成后，校准系数信息被读取，增益DAC和零位DAC的值被更新。PGA309与存储器间的通讯通过标准总线SDA、SCL实现。

2.2.2非线性校准设计

传感器非线性校准采用模拟-数字相结合的方式解决，是充分利用原电路和系统资源的典型应用[9]。压力传感器对于线性输入的响应近似为二阶。若未校准的传感器特性曲线为向上凹或向下凹的形状，通过使系统响应为反方向，使二阶非线性得以抵消。

PGA309内部设计有一条专用于电源激励和线性化的环路。该非线性校准电路将传感器的输出电压按一定比例反馈至线性化DAC，经过线性化系数调整，与参考电压乘以比例系数后的值相加，形成激励信号再作用于压力敏感元件，以实现非线性误差校准。线性化环路有两个有效范围以提供传感器非线性和参考电压的多种组合。线性化调整的反馈系数使用7位的DAC完成。通过确定传感器的非线性度，可以得到线性化DAC的值即线性化系数。线性化系数为正负双极性，可以补偿正或负的非线性。

2.3电磁兼容设计

在传感器设计中，采用了滤波、去耦、屏蔽等设计方法，使传感器的电磁兼容性能及用电适应性得到了有效保证。

传感器的电源滤波器设计如图3所示，通过LC滤波网络完成共模干扰抑制及差模干扰抑制；通过瞬态抑制器使钳位电压为连续工作电压的1.5～2倍，以抑制瞬态干扰[10]。

图3　电源滤波器电路图

传感器所使用的电子元器件均采用Ⅰ级降额设计[11]。器件封装选用表面贴装型，以取得最小的寄生参数。滤波电容器的介质优选温度系数和电压系数相对稳定的损耗性介质（如X7R）；储能去耦电容选择自感较小的片式固体钽电容器，用来补偿电源线及地线结构上发生的电流突变，以保证工作电源电压的稳定。

在设计电路PCB图时，通过EMC设计提高印制电路板的抗扰度，如：使电路中的电流环路尽量保持最小[12]，避免长距离平行走线及走线宽度避免突变等[13]。在传感器结构设计时，外壳体采用全金属电磁屏蔽设计，并尽量减小端面配合间的孔隙，以防止静电耦合干扰、低频磁场干扰及高频场的干扰[14]。

3　可靠性预计

根据压力传感器的功能单元，建立可靠性框图，根据各部件的可靠性逻辑关系，可以建立一个串联可靠性模型，按指数型失效分布计算可靠度，根据元器件计数可靠性预计法，计算其失效率的数学表达式如式（2）所示[15]。

式中：λS：设备总失效率，10-6/h；λGi：第i种元器件的通用失效率，10-6/h；πQ：第i种元器件的通用质量系数；Ni：第i种元器件的数量；n：设备所用元器件的种类数目。

元器件失效率预计表见表1。

据此计算得到压力传感器的工作失效率为：

压力传感器的平均故障间隔时间（MTBF）为：

表1　压力传感器元器件失效率预计表

满足实际应用需求。

4　产品的主要技术性能指标

压力传感器实现的主要性能指标如表2所示，经过测试，传感器的性能指标满足设计要求，实现了预期的研制目标。

表2　指标要求与实际达到指标对比表

5　结束语

文中从航空测试需求的角度出发，提出了高精度压力传感器的设计思想，给出了压力传感器实时智能自校准的实现方法及电磁兼容设计方法。通过采用智能化的模拟-数字混合信号调理技术，解决了压阻式传感器的温度漂移和非线性等问题，修正了针对航空环境应用的重要误差指标，使压力传感器具有良好的环境适应性。通过采用滤波、去耦、屏蔽以及PCB的EMC设计等方法，使压力传感器的电磁兼容性能得到了有效提升。

[1]Jon S.Wilson.传感器技术手册[M].林龙信，译.北京：人民邮电出版社，2009.

[2]范茂军.传感器技术—信息化武器装备的神经元[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3]田裕鹏，姚恩涛，李开宇.传感器原理[M].3版.北京：科学出版社，2007.

[4]董永贵.微型传感器[M].北京：清华大学出版社，2007.

[5]张洪润，张亚凡.传感技术与实验—传感器件外形、标定与实验[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]Texas Instruments Incorporated[Z].PGA309 User’s Guide.2005.

[7]Art Kay，Mikhail Ivanov，Viola Schaffer.A Practical Technique for Minimizing the Number of Measurements in Sensor Signal Conditioning Calibration，2005.

[8]Kouider M，Nadi M，Kourtiche D.Sensors auto-calibration method—using programmable interface circuit front-end[J]. Sensors，2003（3）：490-497.

[9]纪宗南.现代传感器应用技术和实用线路[M].北京：中国电力出版社，2009.

[10]Tim Williams.产品设计中的EMC技术 [M].李迪，译.北京：电子工业出版社，2004.

[11]崔宏敏，陈关君，董加国，等.压力传感器的电磁兼容设计[J].传感器技术，2004，23（6）：27-29.

[12]路宏敏等.工程电磁兼容[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[13]何宏.电磁兼容设计与测试技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[14]王洪岩，王 滨，智文虎.压力传感器的电磁干扰及其解决方法[J].传感器技术，2000，19（5）：44-46.

[15]GJB/Z 299C-2006.电子设备可靠性预计手册[S].北京：总装备部军标出版发行部，2006.

Design and implementation of the high precision pressure sensor

LI Yan-fang，YANG Xiao-bin，ZHENG Lu，LIU Ke
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China）

According to the pressure test requirements in flight test，the pressure can be accurately tested by the development of high-precision pressure sensor so as to ensure the completion of flight test mission.The design and implementation methods of high-precision pressure sensor is proposed to meet aviation testing requirements.Research on calibration technology of pressure sensor for existing error in the application is developed.By correcting inherent errors，the sensor has intelligent realtime self-calibration function.Design of electromagnetic compatibility greatly improve the environmental adaptability of pressure sensor.

pressure sensor；high-precision；real-time self-calibration；electromagnetic compatibility

TN06

A

1674－6236（2016）22-0161-03

2015-11-18稿件编号：201511170

李彦芳（1981—），女，山西忻州人，硕士，高级工程师。研究方向：航空传感器设计。