CN116558677A - 一种低噪声宽带宽的复合压力传感器 - Google Patents

一种低噪声宽带宽的复合压力传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN116558677A
CN116558677A CN202310353693.1A CN202310353693A CN116558677A CN 116558677 A CN116558677 A CN 116558677A CN 202310353693 A CN202310353693 A CN 202310353693A CN 116558677 A CN116558677 A CN 116558677A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure
low
signal
composite
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310353693.1A
Other languages
English (en)
Inventor
夏豪杰
丁思雨
潘成亮
赵会宁
张进
常松涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei University of Technology
Original Assignee
Hefei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei University of Technology filed Critical Hefei University of Technology
Priority to CN202310353693.1A priority Critical patent/CN116558677A/zh
Publication of CN116558677A publication Critical patent/CN116558677A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

本发明提供一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，以解决现有单一原理压力传感器难以实现静态和动态宽频压力的精确测量问题。该压力传感器由复合压力传感探头和复合信号调理电路组成，所述复合压力传感探头包括由外壳、基座、波纹膜片组成并填充压力介质的密闭腔体，安装在密闭腔体的压阻式敏感元件和压电式敏感元件测量待测宽频压力；所述复合信号调理电路包括电桥放大器、电荷放大器、低通滤波器、高通滤波器和加法运算器，对复合压力传感探头输出的压阻测量信号与压电测量信号进行处理，最终输出宽频压力信号。本发明结合压阻式压力传感器和压电式压力传感器的功能优势和性能特点，可同时实现静态和动态压力的高精度测量。

Description

一种低噪声宽带宽的复合压力传感器
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种低噪声宽带宽的复合压力传感器。
背景技术
压力传感器是一种能够感受压力信号，并能按照一定规律将压力信号转换成可用的输出电信号的器件，通常由压力敏感元件和信号调理电路组成，广泛应用于航空航天、工业控制、科学研究、消费产品等领域。目前，根据不同的压力敏感原理和信号调理方式，压力传感器主要包括压阻式、压电式等类型，它们具有不同的测量特性，可满足特定的应用场合需求。
压阻式压力传感器是基于半导体单晶硅的压阻效应原理制成的传感器，利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化，经电桥放大电路等转换为输出信号。压阻式压力传感器具有尺寸小、灵敏度高、制造成本较低等优点，但由于电阻噪声影响，在高频范围内存在较大的噪声，仅适用于低频静态压力的测量。
压电式压力传感器是基于压电材料的压电效应原理制成的传感器，压电材料受到待测压力的作用时，表面形成电荷，电荷经电荷放大电路等转换为输出信号。压电式压力传感器具有响应速度快、灵敏度高等优点，广泛应用于高频动态压力测量，但由于电荷泄露等原因，无法测量静态压力，适用范围大大减小。
目前，还未有一种单一原理的压力传感器，同时具有良好的静态和动态压力测量性能，在覆盖静态和动态范围的宽带宽上输出低噪声的压力信号。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的是结合压阻式压力传感器和压电式压力传感器的功能优势和性能特点，提供一种低噪声宽带宽的复合压力传感器。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，包括复合压力传感探头和复合信号调理电路。所述复合压力传感探头测量待测宽频压力，输出压阻测量信号和压电测量信号；所述复合信号调理电路与复合压力传感探头连接，处理所述压阻测量信号和压电测量信号，输出宽频压力信号。
所述复合压力传感探头由外壳、基座、波纹膜片组成密闭腔体；所述波纹膜片将外界压力耦合进入密闭腔体，所述密闭腔体的内部填充压力介质，提供统一的待测宽频压力；所述密闭腔体的基座上设置压阻式敏感元件和压电式敏感元件，所述压阻式敏感元件通过封装引线输出压阻测量信号，所述压电式敏感元件通过封装引线输出压电测量信号。
所述复合信号调理电路包括电桥放大器、电荷放大器、低通滤波器、高通滤波器和加法运算器；所述压阻测量信号输入电桥放大器后接入低通滤波器，放大低频测量信号并滤除高频干扰噪声，获得低噪声的低频压力信号；所述压电测量信号输入电荷放大器后接入高通滤波器，放大高频测量信号并滤除低频干扰噪声，获得低噪声的高频压力信号；所述低频压力信号和高频压力信号接入加法运算器，输出宽频压力信号。
所述压阻式敏感元件的灵敏度为Kr，所述压电式敏感元件的灵敏度为Kp，所述电桥放大器的增益为K1，所述电荷放大器的增益为K2，所述参数满足关系：K1·Kr＝K2·Kp。
所述低通滤波器和高通滤波器分别采用一阶低通滤波器和一阶高通滤波器，两个滤波器具有相同的通带增益和转折频率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明通过压阻式压力传感器获得低频压力信号，通过压电式压力传感器获得高频压力信号，结合两类压力传感器的性能优势获得宽带宽的压力信号，可同时实现静态和动态压力的高精度测量。
2)本发明对压阻式压力敏感元件获得的压阻测量信号进行低通滤波以抑制高频噪声，对压电式敏感元件获得的压电测量信号进行高通滤波以抑制低频噪声，从而获得低噪声的测量信号，有效提高宽频压力信号的信噪比。
附图说明
图1为本发明压力传感器的总体示意图；
图2为本发明压力传感器复合压力传感探头的结构示意图；
图3为本发明压力传感器复合信号调理电路的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例1
如图1所示，一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，包括复合压力传感探头和复合信号调理电路。所述复合压力传感探头测量待测宽频压力P(t)，输出压阻测量信号Ui和压电测量信号Qi；所述复合信号调理电路与复合压力传感探头连接，处理所述压阻测量信号Ui和压电测量信号Qi，输出宽频压力信号Uo。
如图2所示，所述复合压力传感探头由外壳1、基座2、波纹膜片3组成密闭腔体4；所述波纹膜片3将外界压力耦合进入密闭腔体4，所述密闭腔体4的内部填充压力介质5，提供统一的待测宽频压力P(t)；所述密闭腔体4的基座2上设置压阻式敏感元件6和压电式敏感元件7，所述压阻式敏感元件6通过封装引线8输出压阻测量信号Ui，所述压电式敏感元件7通过封装引线8输出压电测量信号Qi。压阻测量信号Ui和压电测量信号Qi可分别表示为：
其中Kr为压阻式敏感元件6的灵敏度，Kp为压电式敏感元件7的灵敏度。
所述复合信号调理电路包括电桥放大器、电荷放大器、低通滤波器、高通滤波器和加法运算器；所述压阻测量信号Ui输入电桥放大器后接入低通滤波器，放大低频测量信号并滤除高频干扰噪声，获得低噪声的低频压力信号U1；所述压电测量信号Qi输入电荷放大器后接入高通滤波器，放大高频测量信号并滤除低频干扰噪声，获得低噪声的高频压力信号U2。
所述电桥放大器的增益为K1，电荷放大器的增益为K2，复合信号调理电路的低通滤波器和高通滤波器分别采用一阶低通滤波器和一阶高通滤波器，其传递函数的表达式为：
其中s＝jω，Kf为滤波器的通带增益，ωc为滤波器的转折频率。
对待测宽频压力P(t)进行拉氏变换为P(s)，则低频压力信号U1(s)和高频压力信号U2(s)可分别表示为：
所述低频压力信号U1(s)和高频压力信号U2(s)接入加法运算器，输出宽频压力信号Uo(s)。
设计压阻式敏感元件和压电式敏感元件的灵敏度、电桥放大器和电荷放大器的增益、滤波器的通带增益满足：
K1·Kr·Kf＝K2·Kp·Kf＝K (4)
则宽频压力信号Uo(s)可表示为：
经过拉氏逆变换，最终输出的宽频压力信号Uo(t)可表示为：
Uo(t)＝K·P(t) (6)
则K为待测宽频压力和宽频压力信号之间的转换系数，实现静态和动态宽频压力的精确测量。
具体实施例2
如图2所示，所述复合压力传感探头由外壳1、基座2、波纹膜片3组成密闭腔体4；所述波纹膜片3将外界压力耦合进入密闭腔体4，所述密闭腔体4的内部填充压力介质5，提供统一的待测宽频压力P(t)。具体地，设宽频压力P(t)包含10MPa的直流压力、5MPa的100Hz中频压力、2MPa的1000Hz高频压力，则宽频压力P(t)可表示为：
P(t)＝[10+5·sin(100·2πt)+2·sin(1000·2πt)](MPa) (7)
所述密闭腔体4的基座2上设置压阻式敏感元件6和压电式敏感元件7，所述压阻式敏感元件6通过封装引线8输出压阻测量信号Ui，所述压电式敏感元件7通过封装引线8输出压电测量信号Qi。具体地，设置压阻式敏感元件6的灵敏度Kr＝0.1mV/MPa，压电式敏感元件7的灵敏度Kp＝0.05pC/MPa，压阻测量信号Ui和压电测量信号Qi可分别表示为：
所述复合信号调理电路包括电桥放大器、电荷放大器、低通滤波器、高通滤波器和加法运算器；所述压阻测量信号Ui输入电桥放大器后接入低通滤波器，放大低频测量信号并滤除高频干扰噪声，获得低噪声的低频压力信号U1；所述压电测量信号Qi输入电荷放大器后接入高通滤波器，放大高频测量信号并滤除低频干扰噪声，获得低噪声的高频压力信号U2。
所述电桥放大器的增益为K1，电荷放大器的增益为K2，复合信号调理电路的低通滤波器和高通滤波器分别采用一阶低通滤波器和一阶高通滤波器。具体地，设置电桥放大器的增益为2V/mV，电荷放大器的增益为4V/pC，一阶低通滤波器和一阶高通滤波器通带增益Kf＝1，转折频率fc＝100Hz，滤波器的传递函数可表达式为：
对待测宽频压力P(t)进行拉氏变换为P(s)，可表示为
压阻式敏感元件和压电式敏感元件的灵敏度、电桥放大器和电荷放大器的增益、滤波器的通带增益满足：
K1·Kr·Kf＝K2·Kp·Kf＝K＝0.2(V/MPa) (11)
则低频压力信号U1(s)和高频压力信号U2(s)可分别表示为：
其中，低频压力信号U1(s)的直流压力成份无衰减，中频压力成份衰减一半，高频压力成份极大地衰减，高频压力信号U2(s)的直流成份极大地衰减，中频压力成份衰减一半，高频压力成份无衰减。
所述低频压力信号U1(s)和高频压力信号U2(s)接入加法运算器，输出宽频压力信号Uo(s)，则宽频压力信号Uo(s)可表示为：
对Uo(s)作拉氏逆变换，最终输出的宽频压力信号Uo(t)可表示为：
Uo(t)＝0.2·[10+5·sin(100·2πt)+2·sin(1000·2πt)](V) (14)
待测宽频压力和宽频压力信号之间的转换系数K＝0.2V/MPa，宽频压力信号Uo(t)保留了P(t)的直流、中频和高频成分，实现静态和动态宽频压力的精确测量。
在本发明中，除非有明确的规定和限定，特征之间相互交错，不一定独立存在。以上显示与描述包括本发明的基本原理、主要特征及其优点。从事该专业的技术人员需知，本发明不局限于上述实施例的限制，上述的实施例与说明书仅为本发明的优选例，而不是用来限制本发明，以成为唯一选择。在发明的精神和范围要求下，本发明还可进一步变化并优化，对本发明进行的改进优化都进入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护具体范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，其特征在于：包括复合压力传感探头和复合信号调理电路；
所述复合压力传感探头测量待测宽频压力，输出压阻测量信号和压电测量信号；所述复合信号调理电路与复合压力传感探头连接，处理所述压阻测量信号和压电测量信号，输出宽频压力信号。
2.根据权利要求1中所述的一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，其特征在于：所述复合压力传感探头由外壳、基座、波纹膜片组成密闭腔体；所述波纹膜片将外界压力耦合进入密闭腔体，所述密闭腔体的内部填充压力介质，提供统一的待测宽频压力；所述密闭腔体的基座上设置压阻式敏感元件和压电式敏感元件，所述压阻式敏感元件通过封装引线输出压阻测量信号，所述压电式敏感元件通过封装引线输出压电测量信号。
3.根据权利要求2中所述的一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，其特征在于：所述复合信号调理电路包括电桥放大器、电荷放大器、低通滤波器、高通滤波器和加法运算器；所述压阻测量信号输入电桥放大器后接入低通滤波器，放大低频测量信号并滤除高频干扰噪声，获得低噪声的低频压力信号；所述压电测量信号输入电荷放大器后接入高通滤波器，放大高频测量信号并滤除低频干扰噪声，获得低噪声的高频压力信号；所述低频压力信号和高频压力信号接入加法运算器，输出宽频压力信号。
4.根据权利要求3所述的一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，其特征在于：所述压阻式敏感元件的灵敏度为Kr，所述压电式敏感元件的灵敏度为Kp，所述电桥放大器的增益为K1，所述电荷放大器的增益为K2，所述参数满足关系：K1·Kr＝K2·Kp。
5.根据权利要求3所述的一种低噪声宽带宽的复合压力传感器，其特征在于：所述低通滤波器和高通滤波器分别采用一阶低通滤波器和一阶高通滤波器，两个滤波器具有相同的通带增益和转折频率。
CN202310353693.1A 2023-04-05 2023-04-05 一种低噪声宽带宽的复合压力传感器 Pending CN116558677A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310353693.1A CN116558677A (zh) 2023-04-05 2023-04-05 一种低噪声宽带宽的复合压力传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310353693.1A CN116558677A (zh) 2023-04-05 2023-04-05 一种低噪声宽带宽的复合压力传感器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116558677A true CN116558677A (zh) 2023-08-08

Family

ID=87486955

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310353693.1A Pending CN116558677A (zh) 2023-04-05 2023-04-05 一种低噪声宽带宽的复合压力传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116558677A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116858421A (zh) * 2023-09-01 2023-10-10 深圳市鑫精诚传感技术有限公司 一种低频压力测量方法及海洋低频压力测量组件

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116858421A (zh) * 2023-09-01 2023-10-10 深圳市鑫精诚传感技术有限公司 一种低频压力测量方法及海洋低频压力测量组件
CN116858421B (zh) * 2023-09-01 2023-11-24 深圳市鑫精诚传感技术有限公司 一种低频压力测量方法及海洋低频压力测量组件

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116558677A (zh) 一种低噪声宽带宽的复合压力传感器
CN101236113B (zh) 全桥型压阻式压力传感器的数字式信号调理芯片
JPH0367211B2 (zh)
CN101424556A (zh) 流量测定装置
CN105698992B (zh) 一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器及其测量方法
CN110146201A (zh) 一种具有温度补偿的传感信号调理系统及温度补偿方法
CN112014598B (zh) 一种改善加速度传感器低频测量性能的信号调理系统
CN112666400B (zh) 可自动补偿寄生电容的电容测量电路及其使用方法和应用
CN203824695U (zh) 抑制硅纳米线巨压阻传感器灵敏度热漂移和噪声的装置
CN212206110U (zh) 一种多通道扫描采集动态校准系统
US5854421A (en) Semiconductor sensors and method for adjusting the output
WO2004017036A2 (en) Pressure measurement device including a capacitive pressure sensor in an amplifier feedback path
CN117268600A (zh) 一种mems压力传感器芯片及其制备方法
CN207502084U (zh) 力的测量电路和力的测量电路系统
CN115183897A (zh) 一种基于高频交流信号的温度测量系统及方法
CN106644193B (zh) 一种压强值的测定方法及系统
CN201060079Y (zh) 智能差压变送器
CN108663092A (zh) 一种八对电极无衬里电磁流量传感器及动态反馈调整方法
CN109990804B (zh) 基于模拟乘法器的传感器电路温漂的自校正电路
CN109307883B (zh) 一种检波器低频温度补偿调节电路
CN113820029A (zh) 一种用于采集终端的pt100温度采集电路
Liu et al. An array tactile sensor with piezoresistive single-crystal silicon diaphragm
Sheng et al. Design of PZT Micro-displacement acquisition system
Han et al. Miniature touch mode capacitance vacuum gauge with circular diaphragm
CN217738500U (zh) 一种压阻式压力传感器的调理电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination