基于STM32的三余度智能壓力傳感器設計

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

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(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(zhù)一定的方向運動(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(zhù)力大，能夠抵抗較強的環(huán)境應力和較高的溫度應力。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并感應外界壓力，將壓力量轉換為應變量。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(guò)離子測控濺射技術(shù)鍍制成特定的應變絲柵圖形。如圖3 所示，常規單路薄膜敏感芯體的應變絲柵由兩個(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?；椎膽儌鬟f至合金膜后，應變絲柵會(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)測量電橋電壓便可實(shí)現對壓力的測量。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 常規敏感芯體絲柵示意圖

常規的濺射薄膜敏感芯體結構如圖4 所示，外形呈“禮帽”狀，上端面密封，下端面內部開(kāi)有深槽。上端面用于感受外界壓力，外徑為12 mm。當壓力變化時(shí)上端面會(huì )產(chǎn)生對應應變，應變會(huì )引起鍍制的絲柵電阻變形，電橋輸出對應電壓信號。

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。設計中對敏感芯體的結構進(jìn)行了改進(jìn)，如圖5 所示。

改進(jìn)后的敏感芯體為內腔帶硬質(zhì)芯式結構，即芯體的感壓內腔帶有一塊硬質(zhì)芯，整個(gè)芯體上表面為Φ18 mm，硬質(zhì)芯直徑為Φ7 mm。當壓力作用于芯體內腔，由于硬質(zhì)芯的存在，應變變形集中分布到內腔上表面硬質(zhì)芯外圍區域。與常規結構相比，相同壓力產(chǎn)生的應變量增大，敏感芯體的輸出靈敏度顯著(zhù)提高。

圖4 常規薄膜芯體結構圖

圖5 硬質(zhì)芯薄膜芯體結構圖

通過(guò)仿真確定敏感芯體的應變區域分布^[5]，繪制應變絲柵圖形，在敏感芯體的正向應變區繪制惠斯通電橋的主柵，在敏感芯體的負向應變區域繪制惠斯通電橋的輔柵。絲柵圖形如圖6 所示，絲柵為三路冗余設計，保證可以組成三路惠斯通電橋，實(shí)現三路壓力感應。當壓力作用于敏感芯體內腔，應變絲柵組成的惠斯通電橋輸出對應的毫伏級電壓信號，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(shí)現

小量程傳感器通常要求具有絕壓測量能力。而傳統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。研究中設計了密封組件結構，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)現對絕對壓力的測量^[6]。

圖7 密封燒結組件結構圖圖

圖 8 絕壓密封結構實(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)玻璃燒結工藝密封燒結在密封殼體上，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)現對絕對壓力的測量。

轉接電路板位于密封結構內部，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(pán)和轉接電路板焊盤(pán)，可將芯體信號引出至外部電路，實(shí)現信號轉接。絕壓密封結構實(shí)物如圖8 所示。

4   芯體信號標準化

傳感器的單路放大調理電路由電源電路、放大電路、信號調理電路組成。電源電路對供電進(jìn)行穩壓和濾波處理，將外部較高電壓轉換為+5 V 電壓，為放大電路和信號調理電路提供穩定純凈的電源。放大電路對敏感芯體輸出的毫伏級電壓信號進(jìn)行初步放大處理，將信號放大至信號調理器可接受的范圍內。信號調理電路對初步放大的信號進(jìn)行二次放大、輸出校準和溫度補償，最終輸出0.5 ～ 3.0 V 標準電壓信號。

三余度智能壓力傳感器由三組放大調理電路組成，分別為薄膜芯體的三路信號進(jìn)行信號放大、溫度補償、輸出標準化，便于后端采集處理電路進(jìn)行信號處理，如圖9 所示。

5   硬件電路設計

三余度傳感器的電路主要包括電源管理電路、供橋電路、放大調理電路和信號處理電路。信號處理電路由A/D（模擬/ 數字）轉換模塊、運算處理模塊、參數存儲模塊、D/A（數字/ 模擬）轉換模塊、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 位高級定時(shí)器、2 個(gè)DMA(direct memory access，直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)) 控制器、3 個(gè)SPI（serial peripheral interface，串行外設接口）、2個(gè)IIC（inter-integrated circuit，集成電路總線(xiàn)）、5 個(gè)串口、1 個(gè)USB（universal serial bus，通用串行總線(xiàn)）、1 個(gè)CAN (controller area network，控制器局域網(wǎng)絡(luò ))、3 個(gè)12 位ADC（模擬數字轉換器）、1 個(gè)12 位DAC（數字模擬轉換器）、1 個(gè)SDIO（secure digital input andoutput，安全數字輸入輸出）接口、51 個(gè)通用IO（輸入輸出）口。運行速率和存儲空間完全可以滿(mǎn)足設計需要。

AD（模數）采集模塊主要功能是將標準化的傳感器電壓信號轉換為量化的數字信號，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字轉換器。它有多達18 個(gè)通道，可測量16 個(gè)外部和2 個(gè)內部信號源。各通道的A/D 轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC 的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16 位數據寄存器中。ADC 供電電壓為2.4 V 到3.6 V，ADC 輸入范圍為VREF- ≤ VIN≤ VREF+，當時(shí)鐘為72 MHz 時(shí)ADC 的轉換時(shí)間為1.17 μs，可完全滿(mǎn)足三路信號的響應要求。

存儲電路用于存儲壓力信號的標定參數，保證數據掉電不丟失，便于運算處理電路調用數據。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參數。

MCU 的DAC 模塊是12 位數字輸入，電壓輸出的數字/ 模擬轉換器。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)，數據可以設置成左對齊或右對齊。DAC 模塊有2 個(gè)輸出通道，每個(gè)通道都有單獨的轉換器。在雙DAC模式下，2 個(gè)通道可以獨立地進(jìn)行轉換，也可以同時(shí)進(jìn)行轉換并同步地更新2 個(gè)通道的輸出。DAC 可以通過(guò)引腳輸入參考電壓VREF+ 以獲得更精確的轉換結果。三路壓力信號進(jìn)行判斷后可以對數據進(jìn)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 轉換芯片組成。RS485 總線(xiàn)負責數據的傳輸，將測量壓力以電壓值或者M(jìn)Pa 的形式發(fā)送至上位機。根據算法，對傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷后，發(fā)送正確數據。

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；

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(wú)信號；

4）放大電路內部擊穿，輸出電壓超限。

當芯體輸出無(wú)信號時(shí)，經(jīng)放大后電路輸出電壓為零；當放大電路短路時(shí)，放大電路輸出為零；當芯體輸出伏級電壓時(shí)，放大電路輸出超限；當放大電路擊穿時(shí)，輸出電壓超限。因此可以通過(guò)AD 轉換器采集到的電壓值來(lái)區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置限幅保護電路，這樣可以避免過(guò)大的超限電壓損傷AD 采集模塊。

AD 采集到的數據與預設的超限值進(jìn)行比較，當發(fā)現某個(gè)支路的電壓超限時(shí)，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。

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

當輸出為數字模式時(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)標準幀格式輸出。

圖11 傳感器信號判斷算法原理

進(jìn)一步的，還可以對算法進(jìn)行優(yōu)化。當傳感器輸出均在限制值內時(shí)，可以對三路輸出數據進(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正常支路數據進(jìn)行均值計算，從而輸出最優(yōu)結果。軟件工作流程如圖12 所示。

7   結論

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(jìn)行三路冗余設計。對傳感器輸出進(jìn)行標準化后，根據采集到的數字量進(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。該傳感器具有可靠性高、智能化、集成度高的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻：

[1] 李亮,劉倩,龔敏.一種三模冗余數字式增壓控制器研究[J].電子設計工程,2021,29(14):121-125.

[2] 劉倩,李亮,李雷,等.基于三模冗余的運載火箭增壓控制設備設計[J].計算機測量與控制,2017,25(3):67-69.

[3] 馬景靈,任風(fēng)章,孫浩亮.磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展及應用[J].中國科教創(chuàng )新導刊,2013,(29):136,138.

[4] 楊武保.磁控濺射鍍膜技術(shù)最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢預測[J].石油機械,2005,33(6):73-76.

[5] 李會(huì )華,張嘉輝,余森江,等.柔性基周期性厚度梯度薄膜的應變效應[J].物理學(xué)報,2021,70(1):329-340.

[6] 姚東媛,夏航,王俊巍,等.硅--藍寶石絕壓傳感器陶瓷密封結構設計與分析[J].傳感器與微系統,2017,36(8):65-68.

[7] 徐濤,王祁.基于模式識別的傳感器故障診斷[J].控制與決策,2007,22(7):783-786.

[8] 李鵬,李民強.陶瓷電容式智能壓力變送器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007,(5):3-4.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年3月期）