压阻式压力传感器

“ 压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件(或应变计)组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。”

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压阻式压力传感器构

       压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器，是一种利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。 

        当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化，而且前者的灵敏度比后者大50～100倍

        这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。 

        硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。在圆形硅膜片定域扩散4条P杂质电阻条，并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。 

        压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。 当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。

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压力测量方法

        压阻式传感器是在圆形硅膜片上扩散出四个电阻，这四个电阻接成惠斯登电桥。当有应力作用时，两个电阻的阻值增加，增另外由于温度影响，使每个电阻都有变化量。且用线性方程近似求解可充分利用较为成熟的线性方程组的数值方法理沦，使问题大大简化，因此在实际应用中仍具有重要意义，而参量变化较大时，忽略交叉灵敏度对于求解精度影响较大。

    通过给惠斯顿电桥输入一个恒压或者恒流源，当扩散电阻受到应力发生形变的时候，相应的输出电流或者电压就会发生变化。在传感器实际出厂的时候也会测量不同温度下，此电桥受到的影响。给出相应的相关曲线。

    实际应用的时候也需要对传感器进行调零处理，或者在应用的时候进行程序上的校准。

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干扰以及处理

1、干扰源

(1) 静电感应：静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容，使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去，因此又称电容性耦合。

(2) 电磁感应：当两个电路之间有互感存在时，一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路，这一现象称为电磁感应。例如变压器及线圈的漏磁、通电平行导线等。例如：空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰传感器的正常工作；各种信号线绑扎在一起或走同一根多芯电缆，信号会受到干扰，特别是信号线与交流动力线同走一个长的管道中干扰尤甚；

(3) 漏电流感应：由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良，特别是传感器的应用环境湿度较大，绝缘体的绝缘电阻下降，导致漏电电流增加就会引起干扰。尤其当漏电流流入测量电路的输入级时，其影响就特别严重。

(4) 射频干扰：主要是大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干扰。如可控硅整流系统的干扰等。例如：大功率感性负载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰；

(5) 其他干扰：现场安全生产监控系统除了易受以上干扰外，由于系统工作环境较差，还容易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。例如：现场温度、湿度的变化可能引起电路参数发生变化，腐蚀性气体、酸碱盐的作用，野外的风沙、雨淋，甚至鼠咬虫蛀等都会影响传感器的可靠性。

2、抗干扰方法

1）、接地问题处理办法：在低电平放大电路中合理“接地”是减少“地”噪声干扰的重要措施，必须予以特别注意。当使用单电源供给多只传感器、仪器仪表时，应该尽量减少接地电阻引进的干扰。若供电电源的压降必须减到最小，则电源“高”端导线也可按相似的方法接线。包括有多个电源和多个传感器、仪器仪表的系统则需要考虑得更多一些，通常不管电源是谁供给，将地线汇集到公共点，然后和系统的公共端接在一起，所有电源1的负载都回到电源1公共端，所有的电源2负载都回到电源2的公共端，最后用一条粗导线将公共端连在一起。在多电源系统中，可能需要进行判断性试验，确定地线接法，以达到最佳的解决方案。

2）、软件滤波：软件滤波是智能传感器、仪器仪表所独有的，可对包括频率很低（如0.01Hz）的干扰信号在内的各种干扰信号进行滤波。常用的软件滤波方法有：(1) 平均值滤波，即把M次采样的自述平均值作为滤波器的输出，也可以根据需要增加新鲜采样的值的比重，形成加权平均值滤波；(2) 中值滤波，即把M次连续采样值进行排序，取其中位值作为滤波器的输出，这种方法对缓变过程的脉冲干扰滤波效果良好；(3) 限幅滤波，这种方法是根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值Δ，将本次采样和上次采样的差值小于等于Δ的信号认为是有效信号，大于Δ的信号作为噪声处理。(4) 惯性滤波，此乃模拟PC滤波器的数字实现，适用于波罢频繁的有效信号。