基于STM32的三余度智能壓力傳感器設(shè)計

在航空、航天、船舶等重要壓力測量場合，通常需要對壓力測量裝置進行三路冗余設(shè)計，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增加敏感芯體數(shù)量的方式，在一個壓力接口座上焊接三個敏感芯體，然后設(shè)置三路放大電路，分別輸出電壓信號。此方式會導(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傳感器進行了冗余設(shè)計，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)對敏感芯體進行了三路冗余設(shè)計，同一個芯體具有三個壓力感應(yīng)電橋，可以輸出三路電壓信號。通過智能化算法處理，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，或者某個支路傳感器失效時，仍然可以輸出正確信號。

1   測壓原理

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中加速后具有一定動能的特點，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使其沿著一定的方向運動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。

圖1 濺射鍍膜示意圖

2   濺射薄膜芯體設(shè)計

如圖2 所示，濺射薄膜敏感芯體由基底、絕緣膜、合金膜、保護膜組成?；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，通過離子測控濺射技術(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)變絲柵由兩個主柵電阻和兩個輔柵電阻組成，形成一個惠斯通電橋?；椎膽?yīng)變傳遞至合金膜后，應(yīng)變絲柵會產(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，通過測量電橋電壓便可實現(xiàn)對壓力的測量。保護膜位于合金膜上表面，材料為SiO₂，對合金膜起到防護作用。

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)壓力變化時上端面會產(chǎn)生對應(yīng)應(yīng)變，應(yīng)變會引起鍍制的絲柵電阻變形，電橋輸出對應(yīng)電壓信號。

針對小量程壓力傳感器，因為敏感芯體為金屬材質(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一步減小上端面厚度，這給芯體加工帶來了很大的難度。設(shè)計中對敏感芯體的結(jié)構(gòu)進行了改進，如圖5 所示。

改進后的敏感芯體為內(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，保證可以組成三路惠斯通電橋，實現(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應(yīng)的毫伏級電壓信號，電壓信號與壓力信號成正比。

圖6 三余度芯體絲柵布置圖

3   絕壓測量實現(xiàn)

小量程傳感器通常要求具有絕壓測量能力。而傳統(tǒng)的濺射薄膜壓力傳感器由于敏感芯體暴露在外，只能測量表壓壓力而不能測量絕壓壓力。研究中設(shè)計了密封組件結(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，從而實現(xiàn)對絕對壓力的測量^[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真空環(huán)境，實現(xiàn)對絕對壓力的測量。

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，可將芯體信號引出至外部電路，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)接。絕壓密封結(jié)構(gòu)實物如圖8 所示。

4   芯體信號標(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、信號調(diào)理電路組成。電源電路對供電進行穩(wěn)壓和濾波處理，將外部較高電壓轉(zhuǎn)換為+5 V 電壓，為放大電路和信號調(diào)理電路提供穩(wěn)定純凈的電源。放大電路對敏感芯體輸出的毫伏級電壓信號進行初步放大處理，將信號放大至信號調(diào)理器可接受的范圍內(nèi)。信號調(diào)理電路對初步放大的信號進行二次放大、輸出校準(zhǔn)和溫度補償，最終輸出0.5 ～ 3.0 V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。

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進行信號放大、溫度補償、輸出標(biāo)準(zhǔn)化，便于后端采集處理電路進行信號處理，如圖9 所示。

5   硬件電路設(shè)計

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)理電路和信號處理電路。信號處理電路由A/D（模擬/ 數(shù)字）轉(zhuǎn)換模塊、運算處理模塊、參數(shù)存儲模塊、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。該芯片具有48 kB SRAM（static ram，靜止存取內(nèi)存）、256 kB FLASH（ 閃存）、2 個16 位基本定時器、4 個16 位通用定時器、2 個16 位高級定時器、2 個DMA(direct memory access，直接存儲器訪問) 控制器、3 個SPI（serial peripheral interface，串行外設(shè)接口）、2個IIC（inter-integrated circuit，集成電路總線）、5 個串口、1 個USB（universal serial bus，通用串行總線）、1 個CAN (controller area network，控制器局域網(wǎng)絡(luò))、3 個12 位ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）、1 個12 位DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）、1 個SDIO（secure digital input andoutput，安全數(shù)字輸入輸出）接口、51 個通用IO（輸入輸出）口。運行速率和存儲空間完全可以滿足設(shè)計需要。

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轉(zhuǎn)換為量化的數(shù)字信號，然后發(fā)送給MCU運算處理單元。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18 個通道，可測量16 個外部和2 個內(nèi)部信號源。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)果可以左對齊或右對齊方式存儲在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)時鐘為72 MHz 時ADC 的轉(zhuǎn)換時間為1.17 μs，可完全滿足三路信號的響應(yīng)要求。

存儲電路用于存儲壓力信號的標(biāo)定參數(shù)，保證數(shù)據(jù)掉電不丟失，便于運算處理電路調(diào)用數(shù)據(jù)。存儲電路使用非易失性EEPROM（電可擦編程只讀存儲器）存儲器，可按照指定地址存儲三路壓力信號的校準(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，數(shù)據(jù)可以設(shè)置成左對齊或右對齊。DAC 模塊有2 個輸出通道，每個通道都有單獨的轉(zhuǎn)換器。在雙DAC模式下，2 個通道可以獨立地進行轉(zhuǎn)換，也可以同時進行轉(zhuǎn)換并同步地更新2 個通道的輸出。DAC 可以通過引腳輸入?yún)⒖茧妷篤REF+ 以獲得更精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。三路壓力信號進行判斷后可以對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化后輸出兩路正確電壓信號。

RS485 通信模塊主要為上位機提供通信接口。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，將測量壓力以電壓值或者MPa 的形式發(fā)送至上位機。根據(jù)算法，對傳感器的工作狀態(tài)進行判斷后，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，芯體輸出無信號；

2）敏感芯體絲柵斷裂，芯體輸出伏級信號；

3）放大電路短路，輸出無信號；

4）放大電路內(nèi)部擊穿，輸出電壓超限。

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

AD 采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的超限值進行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個支路的電壓超限時，舍棄該路信號，對另外兩路信號取平均值輸出。這樣既識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，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，可以通過發(fā)送0x00 表示無輸出故障，發(fā)送0xFF 表示超限故障。正確值通過標(biāo)準(zhǔn)幀格式輸出。

圖11 傳感器信號判斷算法原理

進一步的，還可以對算法進行優(yōu)化。當(dāng)傳感器輸出均在限制值內(nèi)時，可以對三路輸出數(shù)據(jù)進行均值差異比較，判斷出某個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正常支路數(shù)據(jù)進行均值計算，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，對敏感芯體進行三路冗余設(shè)計。對傳感器輸出進行標(biāo)準(zhǔn)化后，根據(jù)采集到的數(shù)字量進行算法處理，通過智能化處理，去除故障、始終輸出正確信號。該傳感器具有可靠性高、智能化、集成度高的優(yōu)點。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）