基于STM32的三余度智能壓力傳感器設(shè)計(jì)

在航空、航天、船舶等重要壓力測(cè)量場(chǎng)合，通常需要對(duì)壓力測(cè)量裝置進(jìn)行三路冗余設(shè)計(jì)，需要使用到三余度壓力傳感器^[1-2]。傳統(tǒng)的三余度壓力傳感器是通過(guò)增加敏感芯體數(shù)量的方式，在一個(gè)壓力接口座上焊接三個(gè)敏感芯體，然后設(shè)置三路放大電路，分別輸出電壓信號(hào)。此方式會(huì)導(dǎo)致傳感器的體積和重量很大，而且傳統(tǒng)的三余度壓力傳感器僅是對(duì)傳感器進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，不具有智能判斷的功能。三余度智能壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器的區(qū)別在于利用濺射薄膜技術(shù)對(duì)敏感芯體進(jìn)行了三路冗余設(shè)計(jì)，同一個(gè)芯體具有三個(gè)壓力感應(yīng)電橋，可以輸出三路電壓信號(hào)。通過(guò)智能化算法處理，可以判斷芯體是否存在故障、剔除故障數(shù)據(jù)、輸出正確數(shù)據(jù)。在傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，或者某個(gè)支路傳感器失效時(shí)，仍然可以輸出正確信號(hào)。

1   測(cè)壓原理

濺射薄膜技術(shù)^[3-4]屬于物理氣相沉積技術(shù)的一種，它是利用帶電荷的粒子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的物質(zhì)制成的靶電極，并將靶材原子濺射出來(lái)使其沿著一定的方向運(yùn)動(dòng)到襯底并最終在襯底上沉積成膜的方法。濺射鍍膜系統(tǒng)示意如圖1所示。

薄膜壓力敏感芯體采用濺射薄膜技術(shù)鍍制而成，濺射中靶材無(wú)相變，化合物成分不易發(fā)生變化，濺射沉積到基片上的粒子能量比蒸發(fā)沉積高出幾十倍，所形成的納米材料的附著力大，能夠抵抗較強(qiáng)的環(huán)境應(yīng)力和較高的溫度應(yīng)力。所以濺射薄膜壓力敏感芯體具有阻抗一致性高、溫度特性穩(wěn)定、輸出精度高、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 濺射鍍膜示意圖

2   濺射薄膜芯體設(shè)計(jì)

如圖2 所示，濺射薄膜敏感芯體由基底、絕緣膜、合金膜、保護(hù)膜組成?；卓蓚鬟f并感應(yīng)外界壓力，將壓力量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量。絕緣膜、合金膜和保護(hù)膜依次從下往上鍍制在基底材料上，絕緣膜為SiO₂ 材料，具有良好的絕緣特性，用于隔離基底和合金膜。合金膜為金屬材料，通過(guò)離子測(cè)控濺射技術(shù)鍍制成特定的應(yīng)變絲柵圖形。如圖3 所示，常規(guī)單路薄膜敏感芯體的應(yīng)變絲柵由兩個(gè)主柵電阻和兩個(gè)輔柵電阻組成，形成一個(gè)惠斯通電橋。基底的應(yīng)變傳遞至合金膜后，應(yīng)變絲柵會(huì)產(chǎn)生變形，從而引起惠斯通電橋輸出發(fā)生改變。電橋的輸出電壓變化與外界壓力變化存在比例關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電橋電壓便可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。保護(hù)膜位于合金膜上表面，材料為SiO₂，對(duì)合金膜起到防護(hù)作用。

圖2 敏感元件膜層示意圖

圖3 常規(guī)敏感芯體絲柵示意圖

常規(guī)的濺射薄膜敏感芯體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，外形呈“禮帽”狀，上端面密封，下端面內(nèi)部開(kāi)有深槽。上端面用于感受外界壓力，外徑為12 mm。當(dāng)壓力變化時(shí)上端面會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)應(yīng)變，應(yīng)變會(huì)引起鍍制的絲柵電阻變形，電橋輸出對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)。

針對(duì)小量程壓力傳感器，因?yàn)槊舾行倔w為金屬材質(zhì)，通常彈性模量較大，相同壓力條件下，芯體的應(yīng)變量與芯體上端面厚度成反比。而芯體的輸出靈敏度則與芯體的應(yīng)變量成正比。要提高芯體的輸出靈敏度就必須進(jìn)一步減小上端面厚度，這給芯體加工帶來(lái)了很大的難度。設(shè)計(jì)中對(duì)敏感芯體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖5 所示。

改進(jìn)后的敏感芯體為內(nèi)腔帶硬質(zhì)芯式結(jié)構(gòu)，即芯體的感壓內(nèi)腔帶有一塊硬質(zhì)芯，整個(gè)芯體上表面為Φ18 mm，硬質(zhì)芯直徑為Φ7 mm。當(dāng)壓力作用于芯體內(nèi)腔，由于硬質(zhì)芯的存在，應(yīng)變變形集中分布到內(nèi)腔上表面硬質(zhì)芯外圍區(qū)域。與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，相同壓力產(chǎn)生的應(yīng)變量增大，敏感芯體的輸出靈敏度顯著提高。

圖4 常規(guī)薄膜芯體結(jié)構(gòu)圖

圖5 硬質(zhì)芯薄膜芯體結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)仿真確定敏感芯體的應(yīng)變區(qū)域分布^[5]，繪制應(yīng)變絲柵圖形，在敏感芯體的正向應(yīng)變區(qū)繪制惠斯通電橋的主柵，在敏感芯體的負(fù)向應(yīng)變區(qū)域繪制惠斯通電橋的輔柵。絲柵圖形如圖6 所示，絲柵為三路冗余設(shè)計(jì)，保證可以組成三路惠斯通電橋，實(shí)現(xiàn)三路壓力感應(yīng)。當(dāng)壓力作用于敏感芯體內(nèi)腔，應(yīng)變絲柵組成的惠斯通電橋輸出對(duì)應(yīng)的毫伏級(jí)電壓信號(hào)，電壓信號(hào)與壓力信號(hào)成正比。

圖6 三余度芯體絲柵布置圖

3   絕壓測(cè)量實(shí)現(xiàn)

小量程傳感器通常要求具有絕壓測(cè)量能力。而傳統(tǒng)的濺射薄膜壓力傳感器由于敏感芯體暴露在外，只能測(cè)量表壓壓力而不能測(cè)量絕壓壓力。研究中設(shè)計(jì)了密封組件結(jié)構(gòu)，用于密封敏感芯體上表面，為敏感芯體提供真空環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絕對(duì)壓力的測(cè)量^[6]。

圖7 密封燒結(jié)組件結(jié)構(gòu)圖圖

圖 8 絕壓密封結(jié)構(gòu)實(shí)物剖切圖

如圖7 所示，密封組件由密封殼體、金屬插針和堵蓋組成，金屬插針通過(guò)玻璃燒結(jié)工藝密封燒結(jié)在密封殼體上，在真空條件下將密封殼體焊接在壓力接口座上、將堵蓋焊接在密封殼體頂部，可以為敏感芯體提供一個(gè)真空環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕對(duì)壓力的測(cè)量。

轉(zhuǎn)接電路板位于密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部，焊接固定在金屬插針上，并與薄膜芯體上表面保持水平，采用金絲焊接技術(shù)焊接薄膜芯體焊盤和轉(zhuǎn)接電路板焊盤，可將芯體信號(hào)引出至外部電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)接。絕壓密封結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖8 所示。

4   芯體信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化

傳感器的單路放大調(diào)理電路由電源電路、放大電路、信號(hào)調(diào)理電路組成。電源電路對(duì)供電進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波處理，將外部較高電壓轉(zhuǎn)換為+5 V 電壓，為放大電路和信號(hào)調(diào)理電路提供穩(wěn)定純凈的電源。放大電路對(duì)敏感芯體輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)進(jìn)行初步放大處理，將信號(hào)放大至信號(hào)調(diào)理器可接受的范圍內(nèi)。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)初步放大的信號(hào)進(jìn)行二次放大、輸出校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償，最終輸出0.5 ～ 3.0 V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。

三余度智能壓力傳感器由三組放大調(diào)理電路組成，分別為薄膜芯體的三路信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、溫度補(bǔ)償、輸出標(biāo)準(zhǔn)化，便于后端采集處理電路進(jìn)行信號(hào)處理，如圖9 所示。

5   硬件電路設(shè)計(jì)

三余度傳感器的電路主要包括電源管理電路、供橋電路、放大調(diào)理電路和信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路由A/D（模擬/ 數(shù)字）轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)算處理模塊、參數(shù)存儲(chǔ)模塊、D/A（數(shù)字/ 模擬）轉(zhuǎn)換模塊、RS485 通信模塊組成，如圖10 所示。

MCU（微控制器）選擇STM32F103 單片機(jī)。該芯片具有48 kB SRAM（static ram，靜止存取內(nèi)存）、256 kB FLASH（ 閃存）、2 個(gè)16 位基本定時(shí)器、4 個(gè)16 位通用定時(shí)器、2 個(gè)16 位高級(jí)定時(shí)器、2 個(gè)DMA(direct memory access，直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)) 控制器、3 個(gè)SPI（serial peripheral interface，串行外設(shè)接口）、2個(gè)IIC（inter-integrated circuit，集成電路總線）、5 個(gè)串口、1 個(gè)USB（universal serial bus，通用串行總線）、1 個(gè)CAN (controller area network，控制器局域網(wǎng)絡(luò))、3 個(gè)12 位ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）、1 個(gè)12 位DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）、1 個(gè)SDIO（secure digital input andoutput，安全數(shù)字輸入輸出）接口、51 個(gè)通用IO（輸入輸出）口。運(yùn)行速率和存儲(chǔ)空間完全可以滿足設(shè)計(jì)需要。

AD（模數(shù)）采集模塊主要功能是將標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為量化的數(shù)字信號(hào)，然后發(fā)送給MCU運(yùn)算處理單元。MCU 的12 位ADC 是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有多達(dá)18 個(gè)通道，可測(cè)量16 個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC 的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16 位數(shù)據(jù)寄存器中。ADC 供電電壓為2.4 V 到3.6 V，ADC 輸入范圍為VREF- ≤ VIN≤ VREF+，當(dāng)時(shí)鐘為72 MHz 時(shí)ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.17 μs，可完全滿足三路信號(hào)的響應(yīng)要求。

存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)壓力信號(hào)的標(biāo)定參數(shù)，保證數(shù)據(jù)掉電不丟失，便于運(yùn)算處理電路調(diào)用數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)電路使用非易失性EEPROM（電可擦編程只讀存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)器，可按照指定地址存儲(chǔ)三路壓力信號(hào)的校準(zhǔn)參數(shù)。

MCU 的DAC 模塊是12 位數(shù)字輸入，電壓輸出的數(shù)字/ 模擬轉(zhuǎn)換器。DAC 可以配置為8 位或12 位模式，也可以與DMA 控制器配合使用。DAC 工作在12 位模式時(shí)，數(shù)據(jù)可以設(shè)置成左對(duì)齊或右對(duì)齊。DAC 模塊有2 個(gè)輸出通道，每個(gè)通道都有單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器。在雙DAC模式下，2 個(gè)通道可以獨(dú)立地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可以同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并同步地更新2 個(gè)通道的輸出。DAC 可以通過(guò)引腳輸入?yún)⒖茧妷篤REF+ 以獲得更精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。三路壓力信號(hào)進(jìn)行判斷后可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化后輸出兩路正確電壓信號(hào)。

RS485 通信模塊主要為上位機(jī)提供通信接口。硬件上由MCU 的RS485 接口和RS485 轉(zhuǎn)換芯片組成。RS485 總線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，將測(cè)量壓力以電壓值或者M(jìn)Pa 的形式發(fā)送至上位機(jī)。根據(jù)算法，對(duì)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷后，發(fā)送正確數(shù)據(jù)。

6   三余度智能算法

傳感器的故障模式^[7]如下：

1）敏感芯體絲柵短路，芯體輸出無(wú)信號(hào)；

2）敏感芯體絲柵斷裂，芯體輸出伏級(jí)信號(hào)；

3）放大電路短路，輸出無(wú)信號(hào)；

4）放大電路內(nèi)部擊穿，輸出電壓超限。

當(dāng)芯體輸出無(wú)信號(hào)時(shí)，經(jīng)放大后電路輸出電壓為零；當(dāng)放大電路短路時(shí)，放大電路輸出為零；當(dāng)芯體輸出伏級(jí)電壓時(shí)，放大電路輸出超限；當(dāng)放大電路擊穿時(shí)，輸出電壓超限。因此可以通過(guò)AD 轉(zhuǎn)換器采集到的電壓值來(lái)區(qū)別芯體和放大電路的故障模式。為了保護(hù)采集電路，在放大電路的輸出端設(shè)置限幅保護(hù)電路，這樣可以避免過(guò)大的超限電壓損傷AD 采集模塊。

AD 采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的超限值進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)支路的電壓超限時(shí)，舍棄該路信號(hào)，對(duì)另外兩路信號(hào)取平均值輸出。這樣既識(shí)別了故障又可以保證正確輸出，如圖11 所示。

當(dāng)輸出為電壓模式時(shí)，還可以根據(jù)需要設(shè)置一路輸出表示故障狀態(tài)，另外一路輸出正確電壓值。當(dāng)出現(xiàn)無(wú)輸出的情況下，故障支路始終輸出0 V；當(dāng)出現(xiàn)超限情況下，故障支路始終輸出3.3 V。

當(dāng)輸出為數(shù)字模式時(shí)，可以通過(guò)發(fā)送0x00 表示無(wú)輸出故障，發(fā)送0xFF 表示超限故障。正確值通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)幀格式輸出。

圖11 傳感器信號(hào)判斷算法原理

進(jìn)一步的，還可以對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)傳感器輸出均在限制值內(nèi)時(shí)，可以對(duì)三路輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行均值差異比較，判斷出某個(gè)支路芯體輸出差異較大，并判斷其是否正常，摒棄不正常輸出值只對(duì)正常支路數(shù)據(jù)進(jìn)行均值計(jì)算，從而輸出最優(yōu)結(jié)果。軟件工作流程如圖12 所示。

7   結(jié)論

三余度智能壓力傳感器[8] 充分發(fā)揮濺射薄膜技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)敏感芯體進(jìn)行三路冗余設(shè)計(jì)。對(duì)傳感器輸出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，根據(jù)采集到的數(shù)字量進(jìn)行算法處理，通過(guò)智能化處理，去除故障、始終輸出正確信號(hào)。該傳感器具有可靠性高、智能化、集成度高的優(yōu)點(diǎn)。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）