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高精度油压传感器设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

高精度油压传感器是基于压阻式压力传感器的原理设计的精准度高,能适应多种工作环境的油压传感器。油压传感器已被普遍应用于矿业开采、机械工程、医疗保健、石油化工、交通运输、管道等各行各业。随着工业技术水平日益提高,高精度油压传感器的研发早已成为各行各业的迫切需求。

本文所设计的是一种高精度油压传感器。油压传感器能够实现在高温、高压条件下实现对压力的检测,同时在油压过大或过小时提供报警功能。

本文实现了压阻式压力传感器的电路设计及其仿真搭建,以及具有压力传感器数据采集功能、LCD显示功能以及自动报警功能的压力传感器测试系统。数据采集模块与单片机之间需经过A/D数据转换,数据采集模块采用压力传感器采集外界压力值。

本次毕业设计主要研究了压阻式压力传感器在压力检测方面的应用,通过实际调试运用进一步加深我对硬件设计和软件交叉调试方面的能力,通过外部传感器捕获的基本数据进一步处理和挖掘,可以得到对压力检测的有用数据块。通过深层次了解当前高精度油压传感器对各种工业领域的应用需求更好地完成此次设计。

关键词:油压传感器;压阻式压力传感器;数据采集;数据转换;单片机

Abstract

The high-precision oil pressure sensor is based on the principle of piezoresistive pressure sensor and has high precision and can adapt to various working environments. Oil pressure sensors have been widely used in many industries such as construction machinery, water conservancy and hydropower, petrochemical, transportation, aerospace, and pipelines. With the development of industrial technology, the development and application of high-precision oil pressure sensors has become an urgent need in all walks of life. This paper designs a high precision oil pressure sensor. The oil pressure sensor can realize the detection of pressure under high temperature and high pressure conditions, and provides an alarm function when the oil pressure is too large or too small.

This paper realizes the circuit construction of piezoresistive pressure sensor, as well as the sensor data acquisition module, LCD display module and automatic alarm module. The data acquisition module and the single-chip microcomputer need to undergo A/D data conversion, and the data acquisition module uses a pressure sensor to collect external pressure values.

This graduation design mainly studies the application of piezoresistive pressure sensors in pressure detection. Through actual debugging and application, I further deepen my ability in hardware design and software cross-commissioning. Further processing and mining through the basic data captured by external sensors can be Get useful data blocks for pressure detection. Through in-depth understanding of the current high-precision oil pressure sensor application needs in various industrial fields, to achieve the purpose of learning, using knowledge, and pursuing excellence.

Key Words:oil pressure sensor; piezoresistive pressure sensor; data acquisition; data conversion

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.3 论文主要研究内容与结构安排 4

第2章 方案论证与设计 5

2.1需求分析及系统总体结构 5

2.2传感器设计技术方案选择 6

2.2.1压阻式压力传感器 6

2.2.2电容式压力传感器 7

2.2.3压电式压力传感器 9

2.2.4方案比较与选取 10

第3章 系统硬件设计 11

3.1油压传感器电路设计 11

3.2传感器测试电路设计 12

3.2.1压力传感器部分设计 12

3.2.2 LCD硬件部分设计 13

3.2.3数据转换部分设计 13

3.2.4自动报警部分设计 14

第4章 系统软件设计 15

第5章 系统调试及结果分析 16

5.1压力传感器调试结果分析 16

5.2压力传感器测试系统分析 17

5.2.1压力数据显示模块分析 17

5.2.2 自动报警模块分析 18

第6章 总结与展望 19

参考文献 20

致 谢 21

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

通常来说,人体是利用自身的感觉器官来进行对于外部信息的获取,而若仅仅依靠人体自身,不论是对自然现象和自然规律的研究,还是在日常生产生活中,人体感官远远无法满足要求。直到有了传感器的出现,人们的生活才得以发生改变。现如今信息科技发展日新月异,我们的生活也离不开各种各样的信息,因此,信息的可靠性成为我们首要解决的问题。不论是自然界或是生产生活中的信息,我们都可以凭借传感器技术的支持来捕获得到。随着信息化时代的飞速发展,传感器技术已在众多科学技术中崭露头角,并成为标志性技术之一而被人们所了解。传感器技术的应用无处不在,它深入到每一个行业中,小到人们的日常生活,大到各种工业生产。对于我国来说,我国对传感器技术的研究以及应用已经有了很长时间的历史,而且和各行各业的发展都息息相关,尤其是很多高新技术产业,它推进了很多行业向前发展,例如航空航天、海洋勘测、医疗技术等领域。

在某些基础学科的发展方面,传感器技术对这些学科的促进更是有绝对的重要性。现如今科学技术的发展早已进入全新的阶段,从宏观看,我们能够观察宇宙天体的演化;从微观看,我们已经在探索量子领域。除此之外,人类还发现了各种新能源、新材料,还在探索各种极端条件下的科学现象。要在如今的科学条件下去获取信息,仅仅凭借人体的感官是无法完成的,我们必须依靠具有高灵敏度和新运行机制的传感器。因此,可以肯定地说,基础学科的进步必须依靠传感器研发水平的进步。

在传感器的应用过程中,它不仅测量精确,并且易于控制,因此它的应用范围极大,在测量压强、重力、液位等方面有很好的应用。目前,在实际应用过程中,由于其技术成熟、稳定性高、体积小、重量轻、敏感度高、性能较强、便于集成等突出优点,压力传感器在日常生活以及工业生产中都被普遍地使用着。

随着科学技术以及工业生产飞速发展的势头,人们对于精密测量的要求也逐渐重视起来。传感器作为机械设备的感官系统,其精准度已经成为工业制造领域评价各方面综合性能的重要参考依据。而油压传感器作为使用最为普遍的压力传感器,它的应用涉及到了汽车电子、矿业开采、航空航天、医疗技术等各行各业。但是受到国内技术发展滞后的局限,目前所能提供的油压传感器无法满足这些需要,研发具有高精度的油压传感器的需要变得越来越迫切。

1.2 国内外研究现状分析

现如今,传感器技术在科研领域的地位十分突出,它已经变为新世纪各国家相互竞争的前沿高新技术的制高点。尤其是国际上的众多发达国家,它们都把传感器技术的突破看做前沿高新科技提高的关键。日本一直以来将传感器技术视作其科研技术发展的重点与强项,美国也早已进入了传感器技术高速发展的新阶段。在全球范围内,传感器市场也在迅速增长扩大,其增长幅度达到了7%以上,当中某些应用高新技术的传感器,其市场增长更到了18%以上。

20世纪90年代后,我国开始重点进行传感器的研究,尤其重视对高精度压力传感器以及应用于各种新领域内的传感器研究。到目前为止,我国已经拥有了1300多家生产传感器的厂商,但品种较少且产量较低。由于厂商数量较多,因此国家所投入的资金就较为分散。同时厂家的规模小且设备比较落后,导致在生产水平以及科研水平上落后其他国家的大厂商很多。虽然整体来看,我国的传感器技术的发展水平距发达国家还有较大差距,不过在半导体压力传感器方面,我国研发制造的相关产品品质已经有了显著进步。以双岛模结构的一种微压传感器为例,其量程达到6kPa,分辨率高于20Pa,且其非线性达到了5×10^(-4)%FS,同时过压保护能够大于其量程20倍。此外,我国生产的压敏器件MTTF的可靠性已经有了较高水平,元件品种也逐渐增多,测压范围也得到增长。

近些年来,我国在传感器技术的研究和传感器产业的建设上已经有了明显的进展,已经建立起一系列的传感器研发基地,如国家传感技术工程中心、纳米国家重点实验室等,并逐渐成为我国传感器产业链的重要一环。在国家重点的科研计划中,传感器技术的发展得到格外的重视,国家投资2500万元,经3年的研究,研发出51个种类86个不同规格的新产品。同时开发出温度、气敏、力敏等传感器,并投资建成了9条生产线,其中90%的新传感器开始投入应用。

目前来看,我国的传感器产业已经初步建立起来。国内已有近百家企业正在进行新型传感器的研发,已有约1700家传感器制造研发的企业,传感器及敏感元件的总产量已经超过20亿只。但是,目前国内的传感器企业更多的是对现有的传感器产品以及制造技术进行复制和改进,在传感器的技术研发以及技术创新方面并没有优势,因此,国内传感器生产行业仍不容乐观。

在现阶段,传感器技术已经进入新型技术即微机械加工的发展阶段,越来越多的新型技术在传感器研究中得到实践,如纳米技术等。在传感器的研发过程中,科研人员采用计算机技术,可以生产出微米级别厚度的敏感元件。如微型硅电容式压力传感器,它在生物科技、临床医学等领域内得到了普遍应用。在压力传感器的研发方面,不断有各种压力传感器应用新技术被研发出来,使它的普及度得到空前的提高。例如,光纤压力传感器的研发,为临床医学很好地解决了测量人体中血管扩张压力的问题,其测量精度可达到微米级别;人们发明了抗辐射、稳定性高、耐高温的高温压力传感器,满足了航空航天工程领域的需求;Dirk De Bruyker和Adriana Cozma等人采用双元件电容器以及能够自我检测的压阻,成功研发出一种热驱动机制的传感器,可应用于生物科技方面,其体积只有1.8〖mm〗^3,减少了调试数量,并降低了成本。

目前,对于压力传感器的发展研究,全球各国的发展程度并不相同,但大都致力于以下几个方面:

(1)高温压力传感器

新型材料碳化硅的出现及其在压力传感器研发上的应用,使高温压力传感器的研发得以开展。目前已有国外学者正在进行这方面的研究,如Rober.S.Okojie所研发的传感器α(6H)SiC,其正常工作环境可以达到500℃,并保持一定的测量精度;Ziermann,Rene在573K高温条件中,利用β-SiC成功的研制出了能够在高辐射、高压力的环境下正常工作,且具有高敏感度的压力传感器。

(2)硅微机械传感器

目前,微机械加工工艺日渐成熟,越来越多的硅微机械传感器正在被研发并大量投入使用。它的设计更加精致,其纬度要求也更高。这种传感器在人体内难以收集数据的器官中能有很好的应用。例如国外学者Jan Bochenek,Dziuban以及Hachol等人合作研发的一种压力传感器,其限度只有一毫米,且体积小,敏感度高。在人体眼部的应用测试中,该传感器在眼球内压到达60mmHg时测量得到40mV,可见该传感器的高敏感度。

(3)光纤压力传感器

光纤压力传感器已普遍被应用于医疗诊断以及医学保健等方面,而在其他行业的使用较少,同时其科研成果也较为丰富。光纤压力传感器通过光的折射效应,使其中的光敏元件即硅光纤挡板感受光照,同时光的折射强度受压力改变出现差值,再通过计算得出所测压力值。

(4)电容式压力传感器

电容式压力传感器内部电容值大小随压力大小线性变化,内部薄膜弹性大,即使受到压力过大也不会损坏。德国Endress Hauser(E H)公司研制出一种新式电容式压力传感器。它是由一个具有阻断作用的圆环将基片和氧化铝片焊接组成。该传感器能够不用温度补偿而维持其高精度和测量的可靠性。其钎焊结构保证了即使它破损,内部介质也不会外泄而造成环境污染,具有广阔的应用前景。

(5)多维力传感器

近年来,六维力传感器的研究受到越来越多的关注,世界各国尤其是各发达国家如美国、日本等都对该传感器技术十分重视。国内也有一些科研机构以及学者关注着该项目的研究。例如柔软光学阵列触觉传感器的研发,它就是北京理工大学的学者们参考了国际上各个先进的研发成果,利用各种新型材料以及各种先进的加工技艺研制成的一种传感器。它在对简单物体的辨别方面有很高的工作效率,并且能够捕捉所辨认出的某些形状简单的物体,除此之外,它在物体的一些分类上也有一些简单应用。

目前,压力传感器已经在各行各业得到了普遍性的应用,随着各种新技术的发展,人们对压力传感器的性能以及功能等也提出了更高的要求。人们将CAT、CAD、CAM以及集成化技术、微机械技术等应用于半导体压力传感器的制造中,使研发制造的压力传感器能适应人们不断提高的要求。以当前压力传感器的研发水平来看,其功能应用潜力很大,不仅可替代人体感官功能,甚至可以接收人体无法感知的信息。压力传感器的研发正在向实现智能化、集成化、微型化的目标前进。

1.3 论文主要研究内容与结构安排

本文的主要研究内容是高精度油压传感器的设计。研究基于压阻式压力传感器的油压传感器的设计,分析压阻式压力传感器的原理,完成该油压传感器电路及其测试系统的设计和实现。系统包括硬件设计板块和软件设计板块,其中硬件设计板块包括压阻式压力传感器的电路设计部分,以及基于51单片机的压力传感器测试系统设计的硬件部分。本文主要研究内容安排如下:

第一章,绪论部分对论文研究的背景进行了介绍,说明研究的目的及意义,阐述了压力传感器的国内外研究现状、相关技术以主要研究方向和内容安排。

第二章,方案论证与设计部分,首先对油压传感器的设计进行需求分析及系统的总体架构,然后对压力传感器的设计进行了不同方案的说明以及选择,并分析了方案选择的综合原因。

第三章,系统硬件设计部分,首先根据设计需求进行压阻式压力传感器电路的设计,再以51单片机为基础进行压力传感器测试电路的设计,包括压力数据采集以及自动报警模块电路的设计。

第四章,系统软件设计部分主要对压力传感器测试系统中的软件部分进行了设计,实现了实时显示压力值的功能,然后基于需求分析,加入自动报警功能。

第五章,对设计系统进行调试和分析,分析压力传感器电路的性能以及对压力传感器测试电路的功能进行检测。

第六章,对本次设计中实现的功能、技术指标进行了总结,然后对仍存在的不足进行分析,并对压力传感器的发展前景及发展方向做出简单预测。

第2章 方案论证与设计

2.1需求分析及系统总体结构

高精度油压传感器一般应用于工程机械、汽车工程、以及航空航天等领域。它作为测量系统的关键组成部分,需要能够在特殊的测量环境中正常工作并保持较高的测量精度。为满足其应用环境的需求,所设计的油压传感器应以压力传感器基础,并能够满足在高温或低温条件下的应变测量、高压液体下的应变测量以及静态或动态条件下的应变测量等要求。同时设计测试系统对油压传感器精度进行测试,能够显示压力大小且应具有在油压过高或过低状态下的报警功能。

根据功能需求,确定系统结构如图2.1所示:

图 2.1系统结构图

其中:

压力传感器模块:用于采集系统所需压力值数据;

A/D转换模块:将压力传感器采集的模拟信号转换为能够被单片机处理的数字信号;

单片机模块:用于处理来自A/D转换芯片的数字信号数据;

液晶显示模块:用于显示测得实时压力数据;

报警电路模块:用于实现压力超出量程时的自动报警。

经过上述分析,现有的C51系列单片机开发板能实现上述功能,开发所用CPU芯片型号为STC89C52RC。

2.2传感器设计技术方案选择

高精度油压传感器的设计是以压力传感器为基础进行的,因此技术方案的选择以压力传感器的实现方式为基础进行。

2.2.1压阻式压力传感器

压阻式压力传感器是的工作原理是基于导体与半导体材料的压阻效应,即当导体或半导体材料受到外界压力作用时,其内部电子流随之改变,进而引起自身电阻率发生变化。引入压阻系数π即单位力作用下电阻率的变化,来表示压阻效应的强弱,且压阻效应具有各向特异性,当力或电流的方向不同时,产生电阻率的变化也不同。

压阻效应由电阻率变化表示为(2-1):

(2-1)

式中 ρ——半导体材料电阻率;

π——压阻系数;

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