CN102865951B - 用于高速公路路基内部压力检测的压阻式传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速公路路基内部压力检测的压阻式传感器，包括：零点温度补偿电路(101)，补偿由于温度引起的零点漂移；灵敏度温度补偿电路(102)，补偿温度引起的灵敏度下降；比例电压转换电路(103)，为电路提供恒定电流源，减小温度引起的灵敏度的下降，并放大压阻式传感器电桥输出的差模电压；零点校准值存储电路(104)。本发明克服现有压阻式传感器应用中的不足，结合实际使用环境，具有修正传感器输出值的特点。

Description

用于高速公路路基内部压力检测的压阻式传感器
技术领域
本发明属于传感器应用领域，具体涉及一种自动校正零点偏移和温度漂移的用于高速公路路基内部压力检测的压阻式传感器。
背景技术
高速公路结构的安全监测是保证公路安全运营的重要手段，其中压力是一个非常重要的参数，其值的测定需要用到压力传感器，压力传感器是一种能把物理量压力的变化转变成利于利用的电信号电压变化的器件。随着信息处理技术和计算机技术的高速发展，传感器作为各种控制系统的前端单元，越来越重要。传感器技术快速发展，其背后巨大的市场需求是发展的主要推动力量。以半导体材料的压阻效应为原理制成的半导体力敏传感器因具有体积小、性能高、廉价等优点得到了广泛应用。从民用领域的汽车和消费类电子到军用领域，压阻式传感器都在其中扮演着重要的角色。但是由于其利用散射技术形成的电桥阻值易随温度改变，对周围环境温度的敏感性很高，导致压力传感器的热灵敏度漂移和零点漂移，限制了该类器件准确度的提高和应用，温度漂移是决定半导体压力传感器的关键指标。因此，随着压阻式传感器在各个领域应用的拓展与加深，提高性能的同时，应该保证压阻式传感器工作的精确性，必须对封装后的传感器进行温度漂移补偿，例如，压阻式传感器在生产工艺过程中难免存在一些误差，从而产生输出的偏差，压阻式传感器电路的自动校正零点偏移功能可以对传感器的输出提供较为精准的修正。高速公路路基结构里的温度变化很大，还会腐蚀破坏传感器，必须采取措施对传感器进行有效保护，并且如果不采取温度补偿测量结果将误差很大，对传感器结构提出了耐高低温、抗腐蚀等要求。高速公路监测过程中除车流量带给压力传感器的压力外，还要承受来自路基结构的压力，因此结构中含水量的多少对其影响也比较大，如何区分结构压力和车载压力是一个非常重要的问题。
目前提供的技术为：一般压阻式压力传感器接口电路中，都采用仪表放大器来放大差模电压，而仪表放大器没有自动清除压阻式压力传感器零点偏移电压和抑制温度引起的漂移的功能，引起测量灵敏度和测量结果的误差；不能区分公路结构和车流量的压力，而且仪表放大器也不能提供压力传感器需要的恒流源或恒压源。
现有的解决方案一般都是靠手动调节的方式，浪费人力物力，而且手动调节以后，因为可调电位器随时间会有一定程度的偏移，因此一般都需要用时再调节，使用上有很多不便之处。而如果利用电容的采样保持电路，由于电容存在漏电问题，因此难以保证电容长时间保持一个电压不变，不适合用作压阻式传感器的自动校正电路。而且基本上没有涉及到湿度对压力传感器测量结果的影响。恒流源或者恒压源激励也是另外搭建电路实现，使得电路复杂而繁琐。
现有带有自校正输出的压力传感器电路很多都没有设计专门抑制温漂的部分，只是设计了自动调节零点的电路，由于随时间温度会发生变化，其不能长时间保证零点校正值准确，没有考虑结构内由于含水量的不同造成的压力和车载压力的区别，而且很少有考虑传感器保护对其灵敏度造成的影响。
发明内容
本发明是基于以上问题发明的，其目的是提供可以适用于高速公路结构环境监测系统的自动校正压阻式传感器零点偏移电压和带温度补偿及保护封装下的压阻式传感器应用，从而使传感器在不被破坏的条件下测量结果更精确。在压阻式传感器系统正式使用之前，利用单片机作为控制器，控制自动存储压阻式传感器在不同温度和湿度下零点校正值，在之后使用该压力传感器时，结合温湿度传感器测得的温度和湿度值，对所测压力值进行修正，该方法能够长时间保持校正电压不变，而且不存在时间漂移问题，使得校正之后的结果相对准确。
本发明的目的是为克服现有压阻式传感器应用中的不足，提供一种包括自动校正零点偏移电压和温度补偿的宽温区的适用于高速公路路基结构中压力测量的压阻式传感器电路。经过静态标定具有自动修正传感器输出电压的特点。并考虑了传感器保护封装保护膜对灵敏度的影响。
本发明所采用的技术方案：
一种用于高速公路路基内部压力检测的压阻式传感器，包括：
零点温度补偿电路(101)，补偿由于温度引起的零点漂移；
灵敏度温度补偿电路(102)，补偿温度引起的灵敏度下降；
比例电压转换电路(103)，为电路提供恒定电流源，减小温度引起的灵敏度的下降，并放大压阻式传感器电桥输出的差模电压；
零点校准值存储电路(104)，零点校准值存储电路又包括：比较器(1041)，比较压力传感器在不同温湿度下的零点电压输出值与基准值；控制器(1042)，控制压力传感器输出初始的零点电压值的基准电压值比较，控制比较结果存入存储器部(1043)；存储器(1043)，分别存储在不同的温度和湿度下零点校正值；温湿度传感器(1044)，测得公路结构的温度和湿度信息，在使用压力传感器时可利用该信息结合存储器中的零点校正值准确测定结构中的压力信息。
所述的压阻式传感器，所述比例电压转换电路(103)选用AM417，其温度范围宽，完全满足高速公路路基结构环境温度变化的要求。
所述的压阻式传感器，在压力传感器压力膜(201)表面贴有硬质压力传感器贴膜(202)，保护传感器不被腐蚀或其他破坏，同时保证压力传感器灵敏度不至于下降太多。
所述的压阻式传感器，在正式使用该压力传感器之前将不同温度和湿度条件下经过比较器的零点校正值，在控制器的控制下将比较结果先存入存储器，在之后使用该传感器时结合不同温度和湿度下的零点校正值来修正测得的压力值，以满足高速公路监测中对车载流量对公路结构压力的检测。
传感器电路供电采用恒流源式结构，以长时间保持激励电流不变。
零点温度补偿电路可以减少温度对传感器零点输出的影响，以便校正传感器电桥电压的输出的电压值。
利用应力大的保护膜对压力传感器进行保护，防止传感器被腐蚀破坏，由于保护膜应力较大，可以基本无损失的将所受压力传递给压力传感器的压力膜，从而基本不会使传感器的灵敏度下降。
利用温度补偿电路对由于温度系数不同造成的零点温度漂移进行调零和补偿，串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。
灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的，利用二极管的负温度特性来调整电桥的输出电压，达到补偿目的。
利用恒流源电路为电桥供电，长时间保证电流不变，不存在时间漂移问题。再利用比例电压转换电路对信号进行放大，其作用相当于仪表放大器。
利用控制器单片机指令控制压力传感器采集压力数据，同时使压力传感器接口电路的输出零电压，在控制器的作用下将不同温度和不同湿度下测量的零点压力值经过比较器与基准值比较，将比较结果作为零点校正值存于存储器中。在以后的使用中可利用该存储的零点校正值，结合温湿度测得的温湿度值进行校正，可得到校正后准确的电压。
附图说明
图1为自动校正零点和温度偏移压阻式传感器应用电路图。
图2为压力传感器压力膜的保护封装示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
图1表示本实施方式的自动校正零点和温度偏移压阻式传感器电路结构图。
如图1所示，该电路包括：零点温度补偿电路101，灵敏度温度补偿电路102，比例电压转换电路103，零点校准值存储电路104。零点校准值存储电路104包括：比较器1041、控制器1042、存储器1043、温湿度传感器1044。
零点温度补偿电路101是在压力传感器的电桥结构中串联和并联上热敏电阻。其中4个电阻Rs是压力传感器的桥臂电阻，串联电阻Rt2主要起调零作用；并联电阻Rt1主要起补偿作用，并联一个温度系数为负的、阻值较大的电阻，当温度变化时，可达到补偿之目的。
灵敏度温度补偿电路102是在上述零点补偿电路101的基础上增加一个二极管D1，利用二极管D1的负温度特性，二极管D1串联在电桥的电源回路中，当温度升高时，二极管D1正向压降减小，于是电桥电压增大，使输出也增大，只要计算出所需的二极管个数，将其串入电桥电源回路中，便可达到补偿之目的。
比例电压转换器103部分提供压阻式传感器的激励电流，放大由压阻式传感器电桥结构输出的偏移电压。比例电压转换器103使用器件为AM417，是专门用于处理压力传感器信号的芯片，提供恒定的电流源，并对压力传感器电桥差分输出电压放大，提高传感器电路输出信号电压，其适用温度范围非常宽泛，可用于高速公路路基结构这种环境较为恶劣的监测电路。比例电压转换电路103包括用于传感器激励的恒流源1031和带有输出级的差分信号仪表放大器1032。
比较器1041将经过差分信号仪表放大器1032放大后的输出电压值与放大差模电压基准值比较，在控制器1042的控制下将输出零压力的结果存入存储器1043，在-40～150摄氏度温度范围内每隔5摄氏度或10摄氏度改变温度输出并存储零点值；同时在不同温度下改变湿度进行零点输出，在以后的测量过程中的压力值结合温湿度传感器1044测得的具体温湿度下的零点修正值进行修正，从而达到了自动校正的目的。
控制器1042选用单片机C8051F530，利用单片机的指令控制传感器系统在初始时输出并保存不同温度和湿度下零点输出值，即先将不同温湿度下的零点校正值存入存储器1043，在之后的使用中直接利用存储的零点校正值结合传感器系统温湿度传感器1044测得的温湿度以及压力传感器测得的实时压力值进行压力的准确校准，避免温度和公路结构内含水量对车载及车流压力的干扰。
图2为压力传感器压力膜的保护封装示意图，在压力传感器的压力模105上贴上一层刚性的保护膜106，可选类金刚石薄膜DLC，它是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，可以很好地传递外界压力。镀膜之后有硬度高，摩擦系数低，耐磨，耐腐蚀，抗粘结性好且环保等特点，在保护传感器不被腐蚀和破坏的同时不至于使传感器灵敏度过多的下降。图中还包括传感器的电路107和引线108。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于高速公路路基内部压力检测的压阻式传感器，其特征在于，包括：
零点温度补偿电路(101)，补偿由于温度引起的零点漂移；
灵敏度温度补偿电路(102)，补偿温度引起的灵敏度下降；
比例电压转换电路(103)，为电路提供恒定电流源，减小温度引起的灵敏度的下降，并放大压阻式传感器电桥输出的差模电压；
零点校准值存储电路(104)，零点校准值存储电路又包括：比较器(1041)，比较压力传感器在不同温湿度下的零点电压输出值与基准值；控制器(1042)，控制压力传感器输出初始的零点电压值的基准电压值比较，控制比较结果存入存储器部(1043)；存储器(1043)，分别存储在不同的温度和湿度下零点校正值；温湿度传感器(1044)，测得公路结构的温度和湿度信息，在使用压力传感器时可利用该信息结合存储器中的零点校正值准确测定结构中的压力信息；所述比例电压转换电路(103)选用AM417，其温度范围宽，完全满足高速公路路基结构环境温度变化的要求；所述压力传感器压力膜(201)表面贴有硬质压力传感器贴膜(202)，保护传感器不被腐蚀或其他破坏，同时保证压力传感器灵敏度不至于下降太多。
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