劉澤楷

河南省鞏義區(qū)第二高級(jí)中學(xué)東區(qū)分校

改善智能壓力傳感器系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)

劉澤楷

河南省鞏義區(qū)第二高級(jí)中學(xué)東區(qū)分校

通過對(duì)改善智能壓力傳感器設(shè)計(jì)的論述，在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個(gè)層面上對(duì)改善智能壓力傳感器性能進(jìn)行了探究。在著重論述通過改善硬件來提高傳感器性能的基礎(chǔ)上，闡明了提高系統(tǒng)實(shí)施性的措施，及提高系統(tǒng)維護(hù)性的方法。本論文提出的改善智能壓力傳感器系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)，具有精度高、智能化程度高，可靠性好等特點(diǎn)。

壓力傳感器；智能；系統(tǒng)性能；優(yōu)化

1 緒論

1.1 智能壓力傳感器概述

1.1.1 壓力傳感器的定義

壓力傳感器是檢測(cè)壓力信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，具有檢測(cè)氣體、液體、固體等物質(zhì)間作用力能量的功能。壓力傳感器有許多種類，按工作原理可分為：電容式和電感式等；按使用材料可分為：金屬壓力傳感器和半導(dǎo)體壓力傳感器等。

1.1.2 智能壓力傳感器的定義

智能壓力傳感器是具有較強(qiáng)信息處理能力的壓力傳感器,智能壓力傳感器的信息處理能力就是指具有信息檢測(cè)、信號(hào)處理、信息記憶、邏輯思維判斷的功能。智能壓力傳感器主要應(yīng)用來檢測(cè)壓力，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸并輸出數(shù)值量。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、軍事國(guó)防等多個(gè)領(lǐng)域，常常作為一種自動(dòng)化控制的前端元件。由于智能壓力傳感器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)收集、處理、傳輸能力，因此被廣泛應(yīng)用于多種生產(chǎn)、生活環(huán)境。

1.1.3 智能壓力傳感器的功能和特點(diǎn)

智能壓力傳感器大部分具有以下主要功能：

人機(jī)對(duì)話功能：

智能壓力傳感器可與計(jì)算機(jī)、儀表等器件組合在一起，配合操作人員指導(dǎo)工作，及時(shí)進(jìn)行修改，減少操作失誤和讀數(shù)失誤。

自動(dòng)診斷功能：

智能壓力傳感器通過具有診斷功能的軟件，自動(dòng)對(duì)傳感器和系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定性，這是智能壓力傳感器的重要功能。

數(shù)據(jù)處理功能：

智能壓力傳感器能對(duì)各個(gè)被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并可以根據(jù)已知被測(cè)數(shù)據(jù)通過計(jì)算的方法判斷該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并能夠根據(jù)工作環(huán)境和自身?xiàng)l件分析判斷并進(jìn)行自動(dòng)切換量程、自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)修正等。

此外，智能壓力傳感器還具有軟件組態(tài)、接口、信息存儲(chǔ)和記憶等功能。

智能型壓力傳感器的特點(diǎn)：

智能型壓力傳感器具有高性能價(jià)格比、高信噪比和高分辨率、適應(yīng)性強(qiáng)、精確度高、設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，使用維修方便、高可靠性和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

1.2 智能壓力傳感器的研究現(xiàn)狀

智能傳感器的概念，是美國(guó)航天部門在開發(fā)宇宙飛船過程中首次提出的。因?yàn)橛钪骘w船中需要獲得各種各樣的信息，而要處理眾多的由傳感器獲得的信息，需要大量的計(jì)算機(jī)，這在宇宙飛船上是不現(xiàn)實(shí)的。因此，需要一種能解決這些問題的傳感器，所以就出現(xiàn)了智能傳感器。

目前我國(guó)對(duì)智能壓力傳感器的研究己趕上或者接近世界先進(jìn)水平，主要研究成果，如表1所示：

表1

1.3 研究的目的和意義

目前智能壓力傳感器在技術(shù)方面還一定問題，如：智能壓力傳感器的系統(tǒng)穩(wěn)定性能不夠，硬件設(shè)施上的主要原因是：電源、元器件、電源線和地線等干擾。另外，在大量干擾的情況下，也會(huì)造成系統(tǒng)軟件損壞。因此，需要通過硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個(gè)層面上對(duì)智能壓力傳感器性能進(jìn)行改善。

1.4 本論文主要研究的內(nèi)容

在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個(gè)層面上對(duì)改善智能壓力傳感器性能進(jìn)行探究。在著重論述通過改善硬件來提高傳感器性能的基礎(chǔ)上，闡明提高系統(tǒng)實(shí)施性的措施，及提高系統(tǒng)維護(hù)性的方法。

主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）在硬件抗干擾方面從電源、元器件、電源線和地線等方面進(jìn)行改善。

（2）在軟件抗干擾方面在故障異常處理方法、掉電措施等方面提高系統(tǒng)性能。

1.5 本章小結(jié)

本章首先論述了智能壓力傳感器相關(guān)概念及功能特點(diǎn)，然后介紹了智能壓力傳感器的優(yōu)化過程的發(fā)展及現(xiàn)狀，接著介紹了論文的主要研究目的及意義，最后介紹了論文的主要研究?jī)?nèi)容。

2 具體抗干擾措施

壓力傳感器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防建設(shè)、教育事業(yè)、科學(xué)研究以及日常生活中的使用非常廣泛。但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)壓力傳感器有時(shí)測(cè)量不夠精準(zhǔn)，或者信號(hào)的輸出不穩(wěn)定，這一般是因?yàn)槭艿礁蓴_源的干擾。壓力傳感器一旦受外界干擾，那么它的數(shù)據(jù)準(zhǔn)就不夠精準(zhǔn)，其應(yīng)用效果也會(huì)收到影響。

壓力傳感器的干擾源主要包括靜電感應(yīng)、漏電流感應(yīng)、電磁干擾、射頻干擾、其他干擾等幾方面。由于干擾的來源多，影響復(fù)雜，我們必須從多個(gè)角度考慮，采取多種方法來提高壓力傳感器的抗干擾性?？梢圆捎糜布垢蓴_措施，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用軟件抗干擾技術(shù)，兩者相互配合，改善壓力傳感器的性能，使其測(cè)量精度和可靠性達(dá)到更高的要求。

2.1 硬件抗干擾措施

2.1.1 電源抗干擾

采用性能好、抗干擾能力強(qiáng)的供電系統(tǒng)，盡量減少?gòu)碾娫匆氲母蓴_。當(dāng)電路采用交流電源供電時(shí)，可在電路中串聯(lián)電容較小的電容器，防止低頻電流的干擾。也可以在電路中加入一個(gè)高頻扼流圈，防止高頻電流的干擾。同時(shí)可利用交流穩(wěn)壓電源，既能保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，又能防止電壓過高或過低，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電路采取直流電源供電時(shí)，可在電路中加入保護(hù)二極管，防止電源線反接對(duì)電路元器件造成損壞。

2.1.2 印制板電路的抗干擾

印制電路板，又稱印刷電路板，是電子元器件電氣連接的提供者。用電路板的主要優(yōu)點(diǎn)是大大減少布線和裝配的差錯(cuò)，提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)勞動(dòng)率。其布局與布線將直接的影響可靠性。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，相關(guān)部件盡可能靠近，大型散熱部件放置在易于通風(fēng)散熱的位置。由于信號(hào)線之間會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。為避免高頻干擾，在印制電路版中，加入一定阻礙高頻信號(hào)的元器件。采用光電或電磁隔離強(qiáng)、弱電，利用電磁屏蔽等有效措施，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。選擇良好的接地方式，當(dāng)系統(tǒng)既有模擬電路又有數(shù)字電路時(shí)，模擬電路和數(shù)字電路應(yīng)有各自獨(dú)立的空間布局。盡量使用多層板，電源線和地線要盡量加寬。為了避免數(shù)字地與模擬地彼此干擾，兩者要分開接地，最后只有一點(diǎn)連接。在印制板上,表面貼裝部件盡量就近接地,關(guān)鍵部位配置去耦電容，焊點(diǎn)錯(cuò)開排列，以確保所有焊點(diǎn)周圍的電源平面和接地面在整個(gè)范圍內(nèi)是連續(xù)的，印制電路板上信號(hào)的走向按順序前進(jìn),沒有逆行通道。

2.1.3 雙絞屏蔽電纜長(zhǎng)線傳輸

為了避免信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生發(fā)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和接地阻抗等干擾，可以采用接地屏蔽雙絞線減少干擾。雙絞線與同軸電纜相比，雖然頻段差，但是波阻抗高，抗共模噪聲能力強(qiáng)，能使每一小部分的電磁干擾互相抵消。在長(zhǎng)距離傳輸過程中，通常采用差分信號(hào)傳輸來提高抗干擾性能。

2.1.4 屏蔽

屏蔽是抗干擾的有效方法，屏蔽可以解決兩個(gè)問題：一是限制內(nèi)部輻射電磁越出導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定,二是防止外來的輻射進(jìn)入影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在發(fā)射源和傳感器之間加入金屬屏蔽體,會(huì)減少傳感器收到干擾。屏蔽的有效性與屏蔽材料的自身特性有關(guān)。如：材料的導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率、厚度等。另外，干擾源頻率、干擾源到屏蔽體的距離,以及屏蔽體上可能存在的各種不連續(xù)形狀和數(shù)量等也會(huì)影響屏蔽的有效性。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下幾個(gè)方面：1、高頻電場(chǎng)屏蔽采取有效措施來得到最大的反射損耗,如以銅、鋁等作為導(dǎo)體；2、低頻磁場(chǎng)屏蔽采取有效措施來得到最大的穿透損耗,如使用鐵和鎳鐵高導(dǎo)磁材料；3、多重屏蔽加強(qiáng)屏蔽效果和擴(kuò)大屏蔽的頻率范圍；4、配合面要清潔,沒有不導(dǎo)電表層。

2.2 軟件抗干擾措施

2.2.1 輸入數(shù)字信號(hào)抗干擾

在數(shù)字信號(hào)輸入中，因?yàn)椴僮骰蛲獠扛蓴_，會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)變化，導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷。例如，操作按鈕，電觸點(diǎn)閉合或斷線時(shí)有抖動(dòng)現(xiàn)象，如果沒有對(duì)應(yīng)的措施，可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，干擾信號(hào)是毛刺狀，時(shí)間的作用很短。有了這個(gè)特點(diǎn)，在收集數(shù)字信號(hào)時(shí)，可以重復(fù)多次采集，直到兩次或多次收集的結(jié)果一致。如多次采集后信號(hào)總是不穩(wěn)定的，可以停止采集，給出報(bào)警信號(hào)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)采集不能使用多重平均法，而是比較兩個(gè)以上的采集結(jié)果是否一樣。為了滿足實(shí)時(shí)要求，要根據(jù)信號(hào)的特性，設(shè)置適當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)延遲，以滿足不同寬度的干擾信號(hào)。每次采集的最大次數(shù)和連續(xù)次數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2.2.2 掉電保護(hù)

智能壓力傳感器系統(tǒng)在工作時(shí)，瞬時(shí)斷電或電壓突然下降將導(dǎo)致系統(tǒng)損壞，如數(shù)據(jù)丟失，程序跑飛等。因此，掉電保護(hù)至關(guān)重要。在軟件中，應(yīng)該設(shè)置掉電保護(hù)中斷服務(wù)程序，以便系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)掉電。在掉電中斷服務(wù)程序中，首先注意現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，重要的狀態(tài)參數(shù)、中間結(jié)果，一些片內(nèi)存儲(chǔ)器的內(nèi)容都存入有備用電池的RAM中。隨后相關(guān)外圍設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，如關(guān)閉輸入和輸出，使外圍設(shè)備處于非工作狀態(tài)。最后，將特定標(biāo)簽存儲(chǔ)在RAM的一個(gè)或兩個(gè)單元中，作為掉電標(biāo)簽，然后進(jìn)入掉電保護(hù)工作狀態(tài)。當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，CPU復(fù)位，復(fù)位首先檢查是否有掉電標(biāo)記，若有，則此時(shí)復(fù)位為掉電保護(hù)之后的復(fù)位，根據(jù)電源中斷服務(wù)程序以相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，以合理的方式確保系統(tǒng)完成未完成的工作。

2.3 本章小結(jié)

本章分別介紹了硬件抗干擾和軟件抗干擾方法，主要從改善傳感器的電源、印制板電路、屏蔽、雙絞線等硬件設(shè)施，以及利用輸入數(shù)字信號(hào)、掉電保護(hù)等方法，改善智能壓力傳感器的性能。

3 總結(jié)與展望

壓力傳感器抗干擾是一個(gè)復(fù)雜又具有實(shí)踐性的問題，干擾是由許多因素引起的。因此，在提高智能壓力傳感器的性能設(shè)計(jì)上，我們不僅要采取硬件抗干擾措施對(duì)傳感器的電源、印制板電路、屏蔽、雙絞線傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行改進(jìn)，也要采取軟件抗干擾措施不斷改進(jìn)抗干擾能力，提高傳感器的精確性。

為克服傳統(tǒng)壓力傳感器的不足，本文在在硬件抗干擾，軟件抗干擾兩個(gè)層面上對(duì)改善智能壓力傳感器性能進(jìn)行了探究。

本論述雖然達(dá)到了預(yù)期的效果，但由于時(shí)間倉(cāng)促和本人實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的缺乏，還存在一些不足之處，并且受客觀條件的限制，思路也有局限性，還有許多地方需要完善。

[1]韓麗娜.智能壓力傳感器的研究.山東科技大學(xué)

[2]王洪巖，王濱，智文虎.壓力傳感器的電磁干擾及其解決方法.信息產(chǎn)業(yè)部電子第四十九研究所.

[3]崔淑琴.智能壓力傳感器的研究.哈爾濱理工大學(xué)

[4]常一帆.智能壓力傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì).西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院.

[5]孫亞楠.軟件抗干擾技術(shù).陜西西安第二炮兵工程學(xué)院研三隊(duì).

劉澤楷，男，高中生，學(xué)習(xí)理科，興趣廣泛，愛好物理、歷史、文學(xué)，旅行、圍棋，對(duì)物理學(xué)科的喜愛尤為突出，在校物理成績(jī)優(yōu)秀，課余時(shí)間也學(xué)習(xí)了解過有關(guān)物理、電子、自動(dòng)化等方面的書籍，進(jìn)行過與壓力傳感器相關(guān)的專利設(shè)計(jì)，在學(xué)校期間多次獲得三好學(xué)生、優(yōu)秀學(xué)生、文明學(xué)生等榮譽(yù)稱號(hào)。