基于MAX1452的压力传感器校准系统开题报告

一：本课题研究的意义

传感器是一种广泛应用于工业生产、国防建设和航天测量的基本部件。由于半导体材料组成的硅压阻式传感器普遍存在着：一致性、温漂和非线性等问题，在使用过程中都要进行补偿与非线性矫正。传统的矫正方法是采用温度敏感器件与模拟电路实现。近年来，随着计算机技术日新月异的发展，对于硅压阻式传感器的矫正与补偿都采用微型计算机系统实现，这样的方法具有补偿精度高、工作稳定、体积精巧和传输方便等特点。这种方法组成的传感器信号调理电路也把传感器输出电路与变送器形成一体，即为现今的智能传感变送器。这种智能传感变送器还可以构成网络化测量系统。基于半导体压阻效应制成的压力传感器在测量过程中要和被测物接触才能得到测量结果，而且被测物体的变化会使传感器的压阻系数产生变化。同时，由于制造工艺所造成的传感器电桥电阻的不严格对称、桥臂电阻的漏电流以及装配应力等因素还会造成输出信号的非线性，严重影响传感器的灵敏性以及测量的精确度。因此,补偿压力传感器的误差及非线性误差是进行压力测量的一项重要工作。

传感器的补偿过程试验分三个阶段。补偿前传感器的测定试验是为了获得补偿前的性能参数；传感器的补偿过程试验是对传感器进行必要的校准和补偿，补偿后传感器的测定试验，获得补偿后的性能参数，与补偿前的进行比较，验证补偿与标定系统的功能和性能。

二：国内外研究情况及发展趋势

    我国从60年代开始对传感技术的研究与开发，国内在高精度智能化补偿与标定系统研究领域正处于方兴未艾阶段。诸如，南京航空航天大学、北京航空航天大学、西北工业大学、航空部304所、合肥智能机械研究所等都在这方面作了一些具体的研究。国外近年来，传感器的信号调理技术发展很快，向着集成化、小型化、智能化和数字化方向发展。典型产品有Motorola公司生产的MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700系列单片集成硅压力传感器；美国Honeywell公司生产的ST3000系列、ST3000、900／2000系列智能压力传感器；MAXIM公司生产的MAXl450信号调理器、MAXl457型高精度硅压阻式压力信号调理器芯片、MAXl458数字式压力信号调理器等。很多公司推出了在内部集成数模转换器(DAC)和模数转换器(ADC)的智能信号调理芯片，可以补偿失调、失调温度漂移、灵敏度、灵敏度温度漂移和非线性等多个参数。

（1）传感器

对传感器的研究意义重大。如果我们把传感器网络按其功能抽象成五个层次的话，将会包括基础层(传感器集合)、网络层(通信网络)、中间件层、数据处理和管理层以及应用开发层。 其中，基础层以研究新型传感器和传感系统为核心，包括应用新的传感原理、使用新的材料以及采用新的结构设计等，以降低能耗、提高敏感性、选择性、响应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能力。 

传感器网络有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境，从而真正实现“无处不在的计算”。以下简要介绍传感器网络的一些应用。传感器网络研究最早起源于军事领域，实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络，也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中，通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据；在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整传感器网络体仍能完成观察任务。 

对于应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因素，为环境研究和环境监测提供了崭新的途径传感器网络研究在环境监测领域已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测；象的观测和天气预报；林火警；物群落的微观观测等 。

传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。但是，我们还应该清楚的认识到，无线传感器网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。 

    具体来说，压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 

　　我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

　　压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 

在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

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。 

　　压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 

　　压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。 

早在1954年美国C.S.Smith首先确认了半导体压电效应，1955年C.Herring指出：这种压电电阻效应是由于应力的作用，引起导体与价电子带能量状态的变化，以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。日本从1970年开始研究开发，首先应用在血压计上，之后在过程控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。最近几年在家用电器、装配机器人等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、压力监控和判断真空吸附的效果。

（2）传感器动态校准系统

    传感器的动态校准一直是学术领域一个比较活跃的课题。近十几年来，它从原来主要应用于军事国防领域，逐渐向民用领域转变，使得在这方面研究的人越来越多。对传感器的动态校准，国外相对而言研究的时间较长，涉及的领域也更宽一些。像美国、 俄罗斯、德国、印度等，都取得了较高的水平。在国内，特别是近 5、6 年，一些研究院所和部分大学在该领域都进行了深入的研究，取得了比较令人满意的成果。

传感器进行动态校准，主要由两方面因素决定：1、动态标定（由于传感器广泛应用于生产过程的自动检测，新型传感器不断被研制出来。为了准确把握传感器的动态性能 ，需要对其进行动态标定。2、动态校核（传感器由于长期使用，或者对于自制的传感器 ，在使用中都会存在时漂、温漂，或者某些参数发生变化的现象。这将导致传感器灵敏度、零位发生较显著的变化）。

改善传感器的动态特性，也就是进行动态校准的根本目的。这可以从生产角度和使用角度两方面进行考虑：1、生产角度（动态补偿模拟滤波器）；2、使用角度（动态补偿数字滤波器）。对一般用户而言，常采用第二种方法，改善传感器的动态特性。

具体在温度测量中，现在最常见的情况是进行瞬态温度测量，尤其表现在工业和军用上。它的特点是温度高、 变化快，根据不同的场合可能存在高压或高速流动等情况。因此，要保证测量精度是非常困难的。目前常用的方法都存在一定的系统误差，因而需要用动态校准的方法探明各种传感器由于热惯性和非平衡状态导致的系统误差，以便在不同使用条件下，通过修正使其更接近真实值。

三：MAX1452智能芯片的介绍：

    MAX1452是一款高度集成的模拟传感器信号处理器，优化于工业和过程控制中采用阻性元件的传感器。MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，可以逼进传感器所固有的可重复指标。全模拟信号通道在不会在输出信号引入量化噪声，利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校正。用16位DAC对信号的偏移量和跨度校准，赋予了传感器产品真正的可互换性。

    MAX1452结构包含可编程传感器激励、16级可编程增益放大器(PGA)、768字节(6144位)内部EEPROM、四个16位DAC、一个的运算放大器以及内部温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452还利用偏移温度系数(TC)和跨度温度系数(FSOTC)提供独特的温度补偿，在提供灵活性的同时降低了测试成本。

    MAX1452为16引脚SSOP/TSSOP封装和24引脚TQFN封装，工作在商业级、工业级和汽车级温度范围。

对于非线性输出传感器(例如，湿度传感器)，信号调理器是否能够修正传感器的非线性输出非常关键。本应用笔记介绍如何使用MAX1452修正传感器输出的非线性，该芯片是极受欢迎的低成本、高性能信号调理器，内置闪存、温度传感器和完整的模拟信号路径。尽管MAX1452没有包含非线性修正功能，但可通过非常简单的外围电路实现，即利用三个附加电阻进行非线性修正。

参考文献：

[1]曹先进 .传感器的智能化数字化信号调理技术的研究.硕士学位论文.北京：北京航空航天大学，2003

[2]赵敏，姚敏，颜彦 .基于MCA7707的智能传感器补偿系统.南京航空航天大学学报(英文版)， 2001，5（1）：97～101

[3]赵敏，刘迅． MAX1457开发系统的研制.仪器仪表学报， 2002，23(3):68～72

[4]唐正茂，王永骥，汪国祥，李长宝． 高准确度温度变送器的补偿与校正方法.传感器技术 ，2004，23（4）：1～4

[5]唐贤远，刘岐山. 传感器原理及应用.西安：电子科技大学出版社，2000.291

[6]陈本华.压阻传感器的非线性问题.仪表技术与传感器，1994(5)

[7]王美玲. 压阻传感器信号调理的解决方案.仪表技术与传感器，2002( 6 )：38～40

[8]沙占友 .集成化智能传感器原理与应用.北京：电子工业出版社，2004.235

[9]孙宝元，杨宝清 .传感器原理及其应用手册 .重庆：机械工业出版社，2004

[10]孙以材，刘玉岭，孟庆浩. 压力传感器的设计、制造与应用.北京：冶金工业出版社， 2000

[11]徐科军.传感器动态特性的实用研究方法，合肥：中国科学技术大学出版社 ，1999.171

[12]赵敏，陈小平，王铮，余瑞芬 .传感器实时自校准/自补偿的实现 .仪器仪表学报 ，1999，20(4) ：432～434

[13]蓝金辉，周汉昌，潘德恒 .激光在瞬态表面温度传感器的动态校准系统中的应用研究 ，兵工学报，1998，19(1)：38～41

[14]刘鹏，杨学友. 基于MAX1452的硅压力传感器补偿系统的设计．硕士学位论文．天津：天津大学，2010

[15]蒋小燕．基于MAX1457的硅压阻式传感器智能补偿与标定系统的应用研究．硕士学位论文．苏州：苏州大学，2006

一：课题要解决的问题

课题的主要工作包括压力传感器补偿系统的方案的确定，补偿原理与方法研究，硬件的设计与调试，软件的设计与实现，数据测定和误差分析等。

具体内容包括：（1）传感器系统的开发与研究

   （2）传感器的补偿校正原理的研究

   （3）传感器信号系统硬件电路的设计

   （4）max1452电路的设计与研究

   （5）软件的编程与实现

   （6）系统的调试与检验

本课题采用单片机和MAX1452芯片进行补偿校正，通过本课题的设计后，误差补偿系统能够精确的校正压力传感器的误差，经过补偿后,传感器的输入与输出之间呈现良好的线性关系。同时，与传统方法相比，利用 MAX1452对硅压力传感器进行补偿， 可以简化外围电路设计，缩小电路体积小，对压力传感器更好的应用于测量领域有着重要的意义。

二：采用的研究手段

    在进行系统的硬件设计和软件设计之前，首先要进行方案论证，以确定采用何种

方案来实现系统的功能。主要包括如下几个方面的工作：

   （1）确定基本框图。

   （2）对实现补偿与标定系统的主要芯片和器件进行选型。

    具体包括：（1）硬件的选型与实现：max1452的选择与测试，压力传感器的选择与测试，A/D转换器的选型与测试，c51单片机的选型与测试。

   （2）软件的设计与实现：软件设计是系统设计的关键，没有软件的硬件是没有任何意义的，而且也无法实现预定的功能。包括：模拟电压模块，驱动模块，传感器补偿模块，通讯模块。

   （3）测试实现：对设计的电路进行测试，软件编程，测试能否达到要求的功能。

   （4）对设计好的电路进行校准，检测是否达到允许范围内。

确定系统的原理框图如下：

                        图（2）系统原理框图

补偿系统的信号电路是以MAXIM公司生产的MAXl452为核心；数据采集电路以A/D转换器为核心，用来采集传感器的桥压和MAXl452的输出电压。在某个特定校正点MAXl452载入相应的补偿系数对压力传感器进行补偿和校正。

                                       指导教师：               

                                                  年   月   日

                                         系主任：               

                                                  年   月   日