改善智能压力传感器系统性能的设计

2017-09-14刘泽楷

科学中国人 2017年24期

关键词：屏蔽电路传感器

刘泽楷

河南省巩义区第二高级中学东区分校

改善智能压力传感器系统性能的设计

刘泽楷

河南省巩义区第二高级中学东区分校

通过对改善智能压力传感器设计的论述，在硬件抗干扰，软件抗干扰两个层面上对改善智能压力传感器性能进行了探究。在着重论述通过改善硬件来提高传感器性能的基础上，阐明了提高系统实施性的措施，及提高系统维护性的方法。本论文提出的改善智能压力传感器系统性能的设计，具有精度高、智能化程度高，可靠性好等特点。

压力传感器；智能；系统性能；优化

1 绪论

1.1 智能压力传感器概述

1.1.1 压力传感器的定义

压力传感器是检测压力信号并将其转换为电信号的装置，具有检测气体、液体、固体等物质间作用力能量的功能。压力传感器有许多种类，按工作原理可分为：电容式和电感式等；按使用材料可分为：金属压力传感器和半导体压力传感器等。

1.1.2 智能压力传感器的定义

智能压力传感器是具有较强信息处理能力的压力传感器,智能压力传感器的信息处理能力就是指具有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维判断的功能。智能压力传感器主要应用来检测压力，并将其转换为电信号，进行远距离传输并输出数值量。它广泛应用于工业生产、军事国防等多个领域，常常作为一种自动化控制的前端元件。由于智能压力传感器具有很强的数据收集、处理、传输能力，因此被广泛应用于多种生产、生活环境。

1.1.3 智能压力传感器的功能和特点

智能压力传感器大部分具有以下主要功能：

人机对话功能：

智能压力传感器可与计算机、仪表等器件组合在一起，配合操作人员指导工作，及时进行修改，减少操作失误和读数失误。

自动诊断功能：

智能压力传感器通过具有诊断功能的软件，自动对传感器和系统工作状态进行检测，并及时发现故障，以维持系统稳定性，这是智能压力传感器的重要功能。

数据处理功能：

智能压力传感器能对各个被测数据进行测量，并可以根据已知被测数据通过计算的方法判断该数据的准确性，并能够根据工作环境和自身条件分析判断并进行自动切换量程、自动调零、自动修正等。

此外，智能压力传感器还具有软件组态、接口、信息存储和记忆等功能。

智能型压力传感器的特点：

智能型压力传感器具有高性能价格比、高信噪比和高分辨率、适应性强、精确度高、设计制造简单，使用维修方便、高可靠性和高稳定性等特点。

1.2 智能压力传感器的研究现状

智能传感器的概念，是美国航天部门在开发宇宙飞船过程中首次提出的。因为宇宙飞船中需要获得各种各样的信息，而要处理众多的由传感器获得的信息，需要大量的计算机，这在宇宙飞船上是不现实的。因此，需要一种能解决这些问题的传感器，所以就出现了智能传感器。

目前我国对智能压力传感器的研究己赶上或者接近世界先进水平，主要研究成果，如表1所示：

表1

1.3 研究的目的和意义

目前智能压力传感器在技术方面还一定问题，如：智能压力传感器的系统稳定性能不够，硬件设施上的主要原因是：电源、元器件、电源线和地线等干扰。另外，在大量干扰的情况下，也会造成系统软件损坏。因此，需要通过硬件抗干扰，软件抗干扰两个层面上对智能压力传感器性能进行改善。

1.4 本论文主要研究的内容

在硬件抗干扰，软件抗干扰两个层面上对改善智能压力传感器性能进行探究。在着重论述通过改善硬件来提高传感器性能的基础上，阐明提高系统实施性的措施，及提高系统维护性的方法。

主要研究内容如下：

（1）在硬件抗干扰方面从电源、元器件、电源线和地线等方面进行改善。

（2）在软件抗干扰方面在故障异常处理方法、掉电措施等方面提高系统性能。

1.5 本章小结

本章首先论述了智能压力传感器相关概念及功能特点，然后介绍了智能压力传感器的优化过程的发展及现状，接着介绍了论文的主要研究目的及意义，最后介绍了论文的主要研究内容。

2 具体抗干扰措施

压力传感器在工业、农业、国防建设、教育事业、科学研究以及日常生活中的使用非常广泛。但在实际应用中会发现压力传感器有时测量不够精准，或者信号的输出不稳定，这一般是因为受到干扰源的干扰。压力传感器一旦受外界干扰，那么它的数据准就不够精准，其应用效果也会收到影响。

压力传感器的干扰源主要包括静电感应、漏电流感应、电磁干扰、射频干扰、其他干扰等几方面。由于干扰的来源多，影响复杂，我们必须从多个角度考虑，采取多种方法来提高压力传感器的抗干扰性。可以采用硬件抗干扰措施，在此基础上应用软件抗干扰技术，两者相互配合，改善压力传感器的性能，使其测量精度和可靠性达到更高的要求。

2.1 硬件抗干扰措施

2.1.1 电源抗干扰

采用性能好、抗干扰能力强的供电系统，尽量减少从电源引入的干扰。当电路采用交流电源供电时，可在电路中串联电容较小的电容器，防止低频电流的干扰。也可以在电路中加入一个高频扼流圈，防止高频电流的干扰。同时可利用交流稳压电源，既能保证供电系统的稳定，又能防止电压过高或过低，有利于系统的稳定性。当电路采取直流电源供电时，可在电路中加入保护二极管，防止电源线反接对电路元器件造成损坏。

2.1.2 印制板电路的抗干扰

印制电路板，又称印刷电路板，是电子元器件电气连接的提供者。用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率。其布局与布线将直接的影响可靠性。在设计电路板时，相关部件尽可能靠近，大型散热部件放置在易于通风散热的位置。由于信号线之间会产生电磁干扰，所以要进行科学设计。为避免高频干扰，在印制电路版中，加入一定阻碍高频信号的元器件。采用光电或电磁隔离强、弱电，利用电磁屏蔽等有效措施，提高系统的电磁兼容性。选择良好的接地方式，当系统既有模拟电路又有数字电路时，模拟电路和数字电路应有各自独立的空间布局。尽量使用多层板，电源线和地线要尽量加宽。为了避免数字地与模拟地彼此干扰，两者要分开接地，最后只有一点连接。在印制板上,表面贴装部件尽量就近接地,关键部位配置去耦电容，焊点错开排列，以确保所有焊点周围的电源平面和接地面在整个范围内是连续的，印制电路板上信号的走向按顺序前进,没有逆行通道。

2.1.3 双绞屏蔽电缆长线传输

为了避免信号在传输过程中产生发电场、磁场和接地阻抗等干扰，可以采用接地屏蔽双绞线减少干扰。双绞线与同轴电缆相比，虽然频段差，但是波阻抗高，抗共模噪声能力强，能使每一小部分的电磁干扰互相抵消。在长距离传输过程中，通常采用差分信号传输来提高抗干扰性能。

2.1.4 屏蔽

屏蔽是抗干扰的有效方法，屏蔽可以解决两个问题：一是限制内部辐射电磁越出导致信号不稳定,二是防止外来的辐射进入影响数据的准确性。在发射源和传感器之间加入金属屏蔽体,会减少传感器收到干扰。屏蔽的有效性与屏蔽材料的自身特性有关。如：材料的导电率、导磁率、厚度等。另外，干扰源频率、干扰源到屏蔽体的距离,以及屏蔽体上可能存在的各种不连续形状和数量等也会影响屏蔽的有效性。所以设计时考虑以下几个方面：1、高频电场屏蔽采取有效措施来得到最大的反射损耗,如以铜、铝等作为导体；2、低频磁场屏蔽采取有效措施来得到最大的穿透损耗,如使用铁和镍铁高导磁材料；3、多重屏蔽加强屏蔽效果和扩大屏蔽的频率范围；4、配合面要清洁,没有不导电表层。

2.2 软件抗干扰措施

2.2.1 输入数字信号抗干扰

在数字信号输入中，因为操作或外部干扰，会导致状态变化，导致错误判断。例如，操作按钮，电触点闭合或断线时有抖动现象，如果没有对应的措施，可能会产生错误。对于数字信号，干扰信号是毛刺状，时间的作用很短。有了这个特点，在收集数字信号时，可以重复多次采集，直到两次或多次收集的结果一致。如多次采集后信号总是不稳定的，可以停止采集，给出报警信号。对于数字信号采集不能使用多重平均法，而是比较两个以上的采集结果是否一样。为了满足实时要求，要根据信号的特性，设置适当的数字信号延迟，以满足不同宽度的干扰信号。每次采集的最大次数和连续次数可以根据实际情况进行调整。

2.2.2 掉电保护

智能压力传感器系统在工作时，瞬时断电或电压突然下降将导致系统损坏，如数据丢失，程序跑飞等。因此，掉电保护至关重要。在软件中，应该设置掉电保护中断服务程序，以便系统及时响应掉电。在掉电中断服务程序中，首先注意现场保护，重要的状态参数、中间结果，一些片内存储器的内容都存入有备用电池的RAM中。随后相关外围设备进行适当的处理，如关闭输入和输出，使外围设备处于非工作状态。最后，将特定标签存储在RAM的一个或两个单元中，作为掉电标签，然后进入掉电保护工作状态。当电源恢复正常时，CPU复位，复位首先检查是否有掉电标记，若有，则此时复位为掉电保护之后的复位，根据电源中断服务程序以相反的方式恢复现场，以合理的方式确保系统完成未完成的工作。

2.3 本章小结

本章分别介绍了硬件抗干扰和软件抗干扰方法，主要从改善传感器的电源、印制板电路、屏蔽、双绞线等硬件设施，以及利用输入数字信号、掉电保护等方法，改善智能压力传感器的性能。