片上温漂补偿的压阻式压力芯片的设计与制造

为解决硅压阻式压力芯片灵敏度随着温度变化发生漂移的问题,本文设计了一种在片上集成温度补偿结构的压力芯片。在压力芯片上制备电阻温度系数(TCR)为负数的多晶硅电阻用于分压,调整不同温度下的惠斯通电桥端电压以达到灵敏度补偿的效果。本文的研究包含理论分析、参数计算,并进行了芯片制备和性能测试。性能测试结果表明,补偿后的耐高温封装传感器芯片在-50~270℃区间内,温漂为-0.034%FS/℃,简易封装传感器芯片在常温（-40~125℃）区间内的温漂为-0.008%FS/℃,该补偿芯片的温漂远小于无补偿的压力芯片。     

单晶硅压力传感器温度漂移的补偿方法

介绍了单晶硅压力传感器温度漂移的机理,阐述了采取串并联电阻网络和有源电路分段等综合补偿方法的补偿原理.实验结果表明:在-45～85℃温区内,补偿后,热零点漂移和热灵敏度漂移从±0.5%FS/℃提高到±0.014%FS/℃.     

低温敏的双管式光纤Bragg光栅应变传感器的研究

机械构件由于荷载会产生应变,根据应变分布情况可以确定构件的强度信息以及所受荷载状况。研制了一种降低温度敏感性的双金属管光纤Bragg光栅应变传感器。利用内、外管材料热膨胀系数的差值,抵消光纤Bragg光栅由于热膨胀和热光效应引起的波长偏移,实现在应变测量过程中的温度补偿。内、外管之间采用螺纹结构连接,通过调整内管旋入外管的螺纹长度来调节传感器的测量范围和温度补偿效果。实验表明,该传感器的温度灵敏系数为2.62 pm/℃,是裸光栅温度灵敏度的25%;应变灵敏系数为1.215 pm/με,非线性误差为0.8%FS,滞后误差为3.6%FS,重复性误差为2.86%FS。     

基于最小二乘支持向量机的硅压阻式传感器温度补偿

针对硅压阻式传感器灵敏度和零点温度漂移大、硬件补偿电路效果不佳的问题,提出最小二乘支持向量机方法对其温度漂移进行补偿。首先分析了经硬件补偿后的硅压阻式传感器的温度漂移特性,在整个检测范围内选取均匀分布的温度、压力数据作为模型输入,经预处理后对输出数值进行训练,并运用网格搜索法和交叉确认法优化模型的惩罚因子和正则化参数,建立了传感器温度补偿模型。实验结果表明,基于最小二乘支持向量机的温度补偿算法在0~100℃温度范围内把传感器输出综合精度从3.2%FS提高到0.25%FS,进一步提高了传感器的精度和温度使用范围,具有较高的实用价值。     

压阻式高温压力传感器温度补偿与信号调理设计与测试

设计制作了一种集成信号调理电路的高温压阻式压力传感器,包含倒装式的压敏敏片、无源电阻温度补偿电路和信号调理电路组成;压敏芯片的制作采用SOI材料和MEMS标准工艺,温度补偿和信号调理电路采用高温电子元件;试验表明,无源电阻温度补偿具有显著的效果;此外,采用了高温信号调理电路来提高传感器的输出灵敏度,通过温度补偿来降低输出灵敏度;与传统的经验算法相比,所提出的无源电阻温度补偿技术具有更小的温度漂移,在220℃条件下传感器输出灵敏度为4.93 mV/100 kPa,传感器灵敏度为总体测量精度为±2%FS;此外,由于柔性传感器的输出电压可调,因此不需要使用一般的电压转换器随动压力变送器,这大大降低了测试系统的成本,有望在恶劣环境下的压力测量中得到高度应用。     

高精度无油封压力传感器设计

设计了一种新的传感器封装方法。该方法采用双膜片结构,无油封装。压力膜片为硅-蓝宝石材料,通过硅的压阻效应,利用下膜片实现压力传递,上膜片的惠斯登电桥将感受的压力转换为电压信号。经过温度补偿,使热漂移信号大幅度降低。试验结果表明:在常温条件下,传感器准确度为0.14%FS。在-55~200℃范围内,热零点漂移为0.48×10-3%FS/℃,热灵敏度漂移为0.61×10-3%FS/℃。     

半导体双轴力传感器的设计

介绍一种半导体双轴力传感器的结构设计与工作原理,并利用ANSYS软件进行了仿真模拟.通过分析,确定了应变计的粘贴部位和应力分布.传感器试验结果表明:该传感器灵敏度优于0.05 V/N,精度达到0.5%FS,零点漂移小于1%FS/h,热零点漂移小于0.5%FS/℃,满足使用要求.     

气体流速流向传感器及其温度补偿的研究

设计了一种内燃机用气体流速、流向传感器,阐述了传感器的工作原理;介绍了应用单片机对传感器输出信号进行线性化和温度补偿处理的方法。试验结果表明:该传感器在-20~100℃温度范围内,温度稳定性高,零点温度漂移为4.0×10-3%FS/℃,准确度可达到±1.0%FS,性能指标达到了设计要求。     

压电陶瓷传感器的灵敏度温漂误差补偿研究

针对微测系统中压电陶瓷传感器的灵敏度温漂会使其在变化的温度环境中工作时性能不稳定,进而影响检测精度问题,提出了一种基于改进Elman神经网络的压电陶瓷传感器灵敏度温漂误差补偿控制方法。分析了压电陶瓷传感器产生灵敏度温漂现象的原因。以压电陶瓷切削力测量传感器为对象,在不同温度下对传感器的灵敏度进行了标定试验研究。研究结果表明,压电陶瓷传感器在同一温度下工作时具有良好的线性度,在温度变化的环境中工作会伴有灵敏度温漂现象。为了有效补偿灵敏度温漂附加误差,提高检测精度,建立了基于改进Elman神经网络的灵敏度温漂补偿模型,并对模型涉及的学习算法、激励函数、输入输出层节点以及承接层和隐含层节点数等相关内容进行了研究。对比试验验证结果表明,所建立的灵敏度温漂补偿模型对压电陶瓷传感器的灵敏度温漂误差补偿控制效果明显,未经灵敏度温漂补偿,直接按照常温下灵敏度标定结果预测的压电陶瓷传感器加载力和实际加载力之间误差较大,最大误差达到29.16 N,利用本文建立的基于改进Elman神经网路灵敏度温漂补偿模型补偿后,补偿模型的预测力和压电陶瓷传感器的实际加载力最大误差仅0.72 N,有效保证了检测精度。     

应变式传感器补偿装置

应变式传感器生产过程中,重要的一个环节是传感器的补偿,包括零点补偿、温度补偿、弹性模量补偿、灵敏度参数调整等.国内传感器厂家主张0.03级、0.02级的传感器每只都要做温度补偿,包括灵敏度随温度变化的补偿.商业电子秤的敏感元——应变式传感器基本上都是5～60kg,准确度为0.03级、0.02级,必需做灵敏度随温度变化的补偿.电子秤用称重传感器全国需求量近亿只,如果采用单只传感器补偿装置,将严重影响生产率的提高.为满足传感器生产的需要,笔者研制了应变式传感器补偿装置,解决了生产中多只传感器补偿问题.应变式传感器补偿装置是综合试验装置,由高低温试验箱和静重式力发生装置组成,其技术指标是:     

嵌入DeviceNet总线接口的智能差压传感器系统

介绍了一种具有DeviceNet现场总线通信功能的智能差压传感器的设计,探讨了传感器输入输出特性曲线的非线性校正方法。通过内嵌的总线控制器(SJA1000)、报文收发器(82C251)和P89C668单片机等,该传感器可直接作为一个DeviceNet从节点工作;对传感器的输入输出特性曲线进行了建模,以软件手段实现高精度的非线性自校正功能。测试结果表明:该智能差压传感器不但具有DeviceNet现场总线输出功能,且经过多项式或神经网络建模的传感器非线性误差分别可达0.04%FS和0.02%FS。这为高精度传感器的制作提供了一种可行的方法。     

基于三次样条插值的硅压阻式压力传感器的温度补偿

传感器的零点温度漂移、灵敏度温度漂移和非线性误差是影响传感器性能的主要因素,如何能使该类误差得到有效补偿对于提高其性能有重要意义。提出了基于三次样条曲线插值的温度补偿方法,改进了传统三次样条曲线插值的补偿方法,分别对传感器的零点、灵敏度以及非线性进行补偿,用这种方法对测压范围为1.0140×105 Pa～3.0140×105 Pa,温度范围为-20℃～+60℃的硅压阻式压力传感器的实验标定结果进行了温度补偿。通过比较传统三次样条插值补偿后的传感器输出信号,验证了使用改进后的三次样条曲线插值法的补偿效果更好。这种方法为高精度压力传感器的温度补偿提供了一种有价值的理论依据。     

Fiber Bragg grating weighing sensor of beam with two parallel holes

Due to the strains of fiber Bragg gratings mounted on the gauge hole of beam with two parallel holes excited by the weight, a fiber Bragg grating weighing sensor is developed. During the double differential operation of the relation shifts of Bragg wavelength of these four mounted gratings, the shifts of Bragg wavelengths caused by the temperature fluctuation and the bending moment caused by the deflection load can be compensated. The loading and unloading experiments indicate that the delay of grating weighing sensor is 0.28%FS, and the repetition is 0.32%FS. Through the least-square algorithm fitting, the load response sensitivity of grating weighing sensor is 9.992 × 10⁻⁶ kg f⁻¹, and the fitting linearity is 0.6%FS. The temperature drift of grating weighing sensor is 0.02%FS/°C at the range of 20–60 °C. The fitting linearity is 1.5%FS under the action of deflection load.     

热膜风速计温度校正研究

为提高热膜风速计在非恒温流场状况下的测量精度,提出了一种温度自动校正方案。通过对热膜探头的温度特性分析,提出采用铂电阻作为热膜风速计的温度补偿元件。经温度校正后,热膜风速计零点温度漂移可以达到4.8×10-2%FS/℃,灵敏度温度漂移可以达到-1.0×10-2%FS/℃。试验结果表明:利用铂电阻对热膜风速计进行温度自动校正取得了较为理想的效果。     

多功能混合料摊铺机料位超声波测量系统设计

采用微控制器P87C591作为主控芯片,研究并设计了一种新型多功能混合料摊铺机的料位超声波测量系统,实现了混合料摊铺厚度的实时检测与控制;该系统采用超声波脉冲回波测量方法测量摊铺料厚度,利用温度传感器DS1624测量环境温度,通过软件对温度引起的测量误差进行补偿;给出了系统的硬件设计和测距软件流程图,实验结果表明:该系统测量精度高,误差小于2 mm,具有较强的实用价值.     

MEMS硅铝异质结构压力传感器的设计制作与测试研究

金属半导体异质混合结构是一种特殊的压阻结构,其具有高于传统MEMS压阻式压力传感器的压阻性能.鉴于此,设计和研究了一种由掺杂单晶硅和金属铝混合形成的MEMS异质结构压力传感器.首先结合理论模型和ANSYS有限元模拟仿真分析了硅铝异质结构传感器的灵敏度特性,然后通过MEMS工艺制作了硅铝异质结构压力传感器芯片,并对其进行了封装与测试.实验结果表明,硅铝异质结构压力传感器的灵敏度可达到0.1168 mV/(V·kPa),而利用参考结构能够明显减小环境温度对其性能的影响.在此基础之上,本文采用基于遗传算法改进的小波神经网络对传感器的温度漂移和非线性误差进行了补偿,补偿后硅铝异质结构压力传感器的测量误差小于±1.5％FS.     

基于DE优化BP的压阻式压力传感器的温度补偿研究

压阻式压力传感器存在温度漂移的问题,因此需要对该传感器进行温度补偿。为此,首先从标定实验中获取被测压力值、压阻式压力传感器的输出电压值以及环境温度值、温度传感器的输出电压值,然后用差分进化算法（DE）优化的BP神经网络算法从该标定数据中得到补偿后的数据。实验结果表明,所提出的温度补偿方法对压阻式压力传感器进行温度补偿后,其灵敏度温度系数提高了一个数量级,相对误差也得到很大的改善,因而其具有显著的理论意义和应用价值。