基于Z-力敏元件的測力研究*

江　東，單　薏，劉緒坤，楊嘉祥，王德玉

（哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，哈爾濱150080）

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基于Z-力敏元件的測力研究*

江東*，單薏，劉緒坤，楊嘉祥，王德玉

（哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，哈爾濱150080）

摘要：Z-力敏元件是一種新型的半導體器件，輸出為與壓力應變有一定對應關系的頻率量，該器件具有分散性、非線性、溫度特性、零點漂移等特性，須通過硬件或補償軟件才能實際應用。本文對Z-力敏元件的特性進行了研究，通過三次樣條插值方法實現力敏元件的線性化，通過二次插值方法實現溫度補償，通過加載時重量突變編程鎖定的方法解決零點漂移。實驗表明，通過數字化補償后Z-力敏元件可輸出與被測壓力應變成正比的線性輸出，該研究為Z-力敏元件的實際應用奠定了基礎。

關鍵詞：壓力傳感器；非線性補償；溫度補償；零點漂移

具有模擬量輸出的壓力應變傳感器按材料分類有電阻式［1-2］、電感式［3-4］、電容式［5-7］、陶瓷式［8-9］和半導體式等［10-11］。這些壓力傳感器在數字化測量系統中應用需要首先進行A/D轉換［12-14］，電路設計比較復雜。Z-力敏元件構成的力傳感器屬于半導體材料，但與傳統半導體材料構成的力傳感器不同，傳統的半導體測力原理是力改變半導體的電阻值，通過測量電阻值實現力的測量。Z-力敏元件的工作原理是力改變半導體的輸出頻率，輸出頻率與所受壓力應變具有確定的關系，可直接輸出數字信號，因此可省去A/D轉換環節，因其簡單、方便、成本低，所以應用前景廣泛。由于Z-力敏元件的工作機理是半導體性質，其存在著分散性、非線性、溫度特性和零點漂移等特性［15］，因此需要通過補償方能實際應用。本文通過軟件補償的方法解決上述問題。

1　Z-力敏感元件工作電路

Z-力敏元件工作電路如圖1所示。

工作電路由Z-力敏元件、電容和電阻構成。其原理：Z-力敏元件具有負阻效應，利用其負阻效應可構成電容的充放電電路。Z-力敏元件的振蕩電路可輸出頻率信號，其值與壓力應變有確定的關系。將具有負阻效應的臨界電壓稱為跳變電壓，用Uth表示，當達到跳變電壓時輸出電壓由高跳變到低。實測電容為0.01 μF～0.47 μF，電阻為5 kΩ～20 kΩ有穩定的頻率輸出信號。

圖1　Z-力敏元件工作電路

當電容值較小時輸出頻率和應變靈敏度較高，但零點漂移也大。電容值過大或過小以及電源電壓過高或過低電路都不能保持振蕩輸出。輸出信號幅度在正常范圍內隨壓力應變加大輸出頻率值的遞增速率略有下降。為提高測量電路的輸入阻抗和波形整形選用LM358型號的運算放大器，見圖2。

圖2　Z -力敏元件波形整形電路

圖2中前級運放A1提高輸入阻抗，后級運放A2起波形整形的作用，A2輸出端波形如圖3所示。

圖3　Z-力敏元件輸出波形

為提高系統抗干擾能力，經過編程設計上限截止頻率f上截止=5 kHz，經過濾波后的輸出波形，見圖4。

圖4　經過濾波后的輸出波形

設計的整形電路由R2、R3、C2和T構成，整形后的輸出信號uo2的波形如圖5所示。

圖5　整形后的輸出波形

取上限截止頻率f上截止=5 kHz，經過濾波后的整形波形見圖6。

圖6　經過濾波后的整形波形

圖6中濾波后的整形波形的頻率略低于圖4，是由于在圖2測量電路中數據采集器的輸入阻抗較小，接入電路后使輸出頻率增加。由此看出，提高測試系統的輸入阻抗可以提高系統的抗干擾能力。

為了進一步減小測試系統對組態電路的影響，可采用光電耦合器實現組態電路與測量電路的隔離，見圖7。

圖7　Z-力敏元件光電隔離電路

圖7采用TIL117光電耦合器。左邊接Z-力敏元件的工作電路，所用電源電壓是VCC1，右邊輸出耦合數字信號，所用電源電壓是VCC2。

2　Z-力敏元件工作特性

為了解Z-力敏元件的工作特性，實測了壓力應變與輸出頻率之間的關系。圖8給出了兩個型號的Z-力敏元件在不同溫度下的輸出頻率曲線。

圖8　不同溫度下的輸出頻率曲線

圖8可見Z-力敏元件的工作特性：①分散性：不同型號的Z-力敏元件應變與輸出頻率具有不同的關系曲線，即：f1(ε,t)≠f2(ε,t)（其中ε為敏感元件所受壓力應變，t為時間，f為輸出頻率）。輸出頻率范圍一般在800 Hz～2 400 Hz。分散性需要通過制作Z-力敏元件時盡量采用相同的材料和加工條件，以使其輸出特性接近；②非線性：各種型號的Z-力敏元件輸出頻率與所加的壓力應變不是線性關系，即輸出頻率f (ε)=g(ε)之間的關系是非線性關系。通過實驗可知Z-力敏元件隨所受壓力應變的增加，輸出頻率的增量呈減小趨勢，非線性的問題可以通過非線性補償的方法加以解決；③溫度特性：由于Z-力敏元件實質是半導體器件，因此具有輸出頻率受溫度影響的特性，Z-力敏元件隨溫度的增加輸出頻率均隨之增加，f1(ε,T1)≠f1(ε,T2)其中ε為敏感元件所受壓力應變，T為溫度，f為輸出頻率，即同一個Z-力敏元件在所受壓力應變相同而溫度不同時輸出頻率不同。解決溫度特性的影響可通過溫度補償的方法加以解決；④零點漂移特性：隨時間的推移，輸出頻率緩慢變化；⑤重復性：工作條件相同時一般輸出頻率是相同的。

3　系統補償及溫度漂移處理

3.1非線性補償

由于Z-力敏元件隨所受壓力應變與輸出頻率為非線性關系，需要通過補償才能具有線性化輸出。補償可以采用硬件方法，但硬件補償將會增加成本，并且很難在整個量程區間保證測量精度，而軟件補償方法可以實現逐點校正，軟件補償原理見圖9。

圖9　基于Z-力敏元件軟件補償原理圖

實測20℃輸出頻率與壓力應變對應關系，見表1。采用3次樣條插值方法，用分段三次多項式曲線光滑地連接相鄰樣本點，整體上具有函數、一階和二階導數連續性。針對表1輸出頻率與壓力應變對應值，采用三次樣條插值結果見圖10。

表1　20℃實測壓力應變與輸出頻率

圖10　20℃非線性補償

通過三次樣條插值計算，可以得到傳感器任意輸出頻率下所對應的壓力應變實際值。加載線性變化壓力應變時輸出為線性化頻率。

3.2溫度補償

通過對Z-力敏元件工作特性的研究得知，不同溫度下，Z-力敏元件輸出頻率與壓力應變關系曲線不同。必須考慮溫度影響，通過溫度補償實現傳感器的線性化輸出。以5℃～10℃，每間隔5℃實測壓力應變對應的頻率輸出，表2給出10℃～50℃間隔10℃的測量結果。

表2　不同溫度實測輸出頻率與壓力應變　單位：Hz

為了實現不同溫度的補償，采用二次函數的插值計算方法，將溫度值和輸出頻率作為自變量，壓力應變作為函數。

通過一元函數插值方法獲得等間距頻率量對應的應力應變，由此獲得二次函數的插值點，計算結果見表3。

表3　二次函數插值點

Z -力敏元件輸出頻率與壓力應變呈單調對應關系，滿足分段三次插值的運算條件，表3中自變量插值點和溫度均為等間距取值，分段三次插值計算結果，見圖11。

圖11　分段三次插值計算結果

Z-力敏元件測力系統工作時，由溫度傳感器測出實際溫度值，單片機的定時器和計數器測量出壓力應變下的頻率值，通過分段三次插值計算公式［16］：

其中，f為被測頻率，T為環境溫度，ε為壓力值，f1為當前實測頻率，T1為當前環境溫度，ε1為插值后得到的實測壓力值。

為清楚地看出頻率、溫度取值與測量壓力關系，通過數據處理得到等壓力線，見圖12。

圖12　等壓力線

由圖12可以清楚地看出壓力與頻率和溫度之間的分布關系。

通過三次插值實現溫度補償后，以頻率信號輸出被測壓力。輸出頻率與被測壓力關系，見表4。

表4　輸出頻率與被測壓力關系

由表4看出，頻率對應壓力應變的靈敏度為SI=1 Hz/g，輸出頻率和壓力應變呈線性對應關系。

3.3零點漂移處理和自校零功能實現

隨時間變化，輸出頻率也緩慢變化，一般呈現逐步上升趨勢，1分鐘漂移1 Hz～3 Hz左右，且具有累積特性，若間隔時間超過幾十分鐘以上，可達到幾十赫茲的偏移。

在實測時加重物一般是一個突然變化量，每秒鐘一般變化量超過3 Hz以上。根據這一特點可以區分零點漂移信號與實測信號。通過程序判斷加重物穩定后進行鎖定的辦法來克服零點漂移的影響。通過程序判斷，若頻率值變化在5秒鐘內不超過3 Hz可認為已達到平衡，立即將該值鎖定保持這一測量值，從而避開了零點漂移的影響。當檢測出有重物變化，即每秒鐘變化3 Hz以上時可判斷出有重物加載，此時進行解鎖操作，程序將繼續進行跟蹤測量，并運行測量校正程序。

零點漂移處理程序框圖見圖13。

圖13　零點漂移處理程序框圖

為了能夠給出各壓力應變ε所對應的正確輸出頻率值f，每次測量時均需進行校零。通過程序判斷，實現自校零功能。

3.4測量速度與精度的關系

常規設計中為了提高系統測量精度和提高系統抗干擾能力，Z -力敏元件需要通過程序對測量數據求平均值以實現數字濾波。但當被測信號產生突變時，因為原始數據是變化前的數據求平均值，這些值與突變數據一起求平均值會影響跟蹤被測信號的速度，因此出現了精度和速度的矛盾。為了解決采樣精度和速度的矛盾，本文提出可變精度算法，其框圖見圖14。

通過圖14的程序處理解決了壓力應變ε突然變化時系統響應速度慢的問題。

可變精度算法和不可變精度算法與測量結果比較見圖15。

圖15　可變精度算法與不變精度算法比較

圖中黑色線為未經處理的壓力應變ε突然改變的頻率值的變化曲線，藍色虛線為通過普通求平均得到的頻率變化曲線，紅的實線為通過可變精度算法得到的頻率變化曲線。對比可以看出，紅色實現跟蹤測量值的速度很快，并且隨時間推移其精度逐漸提高。藍色虛線則反應較慢。由此解決了速度和精度之間的矛盾。

4　Z-力敏元件的測試系統

Z-力敏元件輸出數字量可通過單片機實現補償，其測試系統見圖16。

圖16　Z-力敏元件測試系統

圖16中除了常規的鍵盤、顯示和通訊接口設計外增加了串行接口電可擦寫存儲器24C02，用于存儲補償數據。該測試系統結構簡單，成本低，可實現傳感器小型化等批量生產。利用單片機定時、計數功能測量傳感器的輸出頻率。ICL232為通訊接口芯片與RS232接口連接用以實現AT2051與PC機之間的雙向數據通訊。

5　實測數據及誤差分析

為驗證分析方法是否正確，逐次給Z-力敏元件外加1 kg～10 kg壓力，記錄測試系統的輸出頻率，見圖17。由實測可知，系統輸出最大絕對誤差是10 Hz，對應壓力誤差為10 g，最大相對誤差為1.2%。

圖17　測試系統線性度

6　結束語

通過對Z-力敏元件特性研究得出：利用Z-力敏元件在相同測量條件下具有重復性來解決存在的分散性、非線性、溫度特性、和零點漂移特性等問題。通過三次樣條插值方法可以解決分散性、非線性和溫度對測量的影響；利用實測加載時的重量突變可以區分被測信號和零點漂移信號，通過程序鎖定實測重量，避開了零點漂移的影響；通過程序判斷是否為未加載狀況實現系統的自校零功能。此外，提出的可變精度測量方法，可加快測量速度，解決了精度與速度的矛盾。通過標準化的頻率輸出統一了被測信號的頻率輸出值。研究結果為Z-力敏元件測力的實際應用奠定了基礎。

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江　東（1960-）男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，主要研究方向為電工理論新技術、傳感器開發及應用，wdyu2004@ 163.com；

單　薏（1972-）女，黑龍江哈爾濱人，講師，主要研究方向為電工理論新技術及其應用，Shanyi_72@sohu.com。

Research on Testing Force Based on Z-Sensitive Element*

JIANG Dong*，SHAN Yi，LIU Xukun，YANG Jiaxiang，WANG Deyu
（College of Electrical &Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：Since Z-sensitive element is a semiconductor element that exists dispersion，nonlinearity，temperature characteristics，zero drift characteristics，the amount of output frequency are correspondence to strain of the pres?sure，it can be applied only after compensation.The characteristics above of the Z-force-sensitive components were researched in this paper.The dispersion and nonlinear of the force-sensitive element is solved by cubic spline inter?polation method.The temperature characteristics exist is solved by quadratic interpolation method.The zero drift characteristics are solved by lock method through program.Experiments show that through digitization compensated Z-force-sensitive components the output frequency of the test system can directly proportional to the measured pres?sure strain.The research results lay a foundation for practical application of Z-force-sensitive element.

Key words：pressure sensors；nonlinear compensation；temperature compensation；zero drift

doi：EEACC：7100；7210；723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.006

收稿日期：2015-09-10修改日期：2015-10-23

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0182-06

項目來源：國家自然科學基金項目（51377037）