Honeywell
SMART
智能型 压力传感器
将压敏电阻压力传感元件与微型计算器和数字信号处理组合起来获得一种既精确又易使用的传感器
鲍尔
择一台精确测量系统
(总误差预算小于 1%)
选
上说
能迅速找到一台适应应用需要
的传感器那样简单的事情
工作往往被许多因素搞得复杂
化
并且会在传感器和它的系统接
口中隐藏有误差源
选择单个元件-传感器-而且还要
定义由许多元件组成的整个测
量系统(每个元件都有其自身的
误差)
度不能简单地根据传感器内含
的精度来确定
的分析和测试予以确定
此外
时
为其它单位以便显示
转换通常会使硬件变得复杂化
使它仅适用于一个单一功能
本文中介绍的 SMART 压力传感
器提供了一种精确测量压力的系
统方法
计师从研究
性能的工作中解放出来
传感器是将三种技术融为一体的
结果
计算机和数字信号处理
温度效应和非线性度提供补偿
而且还能在测量系统的传感器端
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用的压力传感器传统
并不是一件查一下目录就
选择
其中技术规格往往靠不住
不仅有必要
因此 压力测量系统的精
而必须通过耗时
当用大气压测量飞机的高度
常常需要将压力测量结果转换
这种非线性
这种传感器能使系统设
定义和验证传感器
SMART
压敏电阻传感元件 微型
它可为
B.杜普依斯 (Honeywell 军用航空电子部)
MN15-2322;HVN 542-5965
提供换算并转换为用户需要的单
这种传感器以定义系统中性
位
并
能的单精度数为特点
得
没有任何隐藏误差源
SMART 传感器的主要优点是
环境范围内具有优越的性能
期极佳的稳定性
测量误差
器的数字数据多路传输到公用导
线对上
如压力和高度
设计师的问题
传统上选择传感器一直是与建
立压力测量系统有关的一个非
常耗时的工作
差源和未披露的性能指标
多影响因素中必须进行考虑的
几项是
间的漂移
校准精度以及动态压力和温度
变化对系统精度的影响
一旦选定传感器
选择或设计模拟信号调节电子设
备
系统的这部分设备需要完成几
项功能
低电平输出信号
个可用格式以便消除接口接线上
的噪声
任何静电或热感应的零点和量程
误差
必须校正压力非线性度
在通过时模拟元件用于对传感器
能将来自若干台传感
并能同时输出多个参数
有无数隐藏的误
零点和量程随温度和时
可重复性 稳定性
首先 必须放大传感器的
其次 必须校正传感器上
最后信号调节电子设备往往
所见即所
接口不会感生
下一项工作就是
并将它转换为一
应当注意
在
长
在许
的缺陷进行补偿而接口电子设备
本身又是附加的热误差源和长期
误差源
信号调节级的输出是一个模拟
信号
在 0 至 10 伏或 4 至 20 毫安之间
电压输出模式常被用在紧凑式
系统中
电独立于输出信号
式常用于传感器的定位与用户
系统相隔一定距离的应用场合
采用这种模式时 电源和信号都
是通过相同的导线对传送的
感器将它的电源线电流调制为
模拟输出信号
压力测量系统设计师的最后一
项工作就是为用户系统定义接
口
用中
据传输格式转换为一种数字格
式
集和控制系统
置使用
从这个观点来看
应用不是取决于单个元件而是
取决于由许多独立元件组成的
整个系统
型的测量和控制系统的一部分
这种方法的缺点是 传感元件和
终端系统用户之间的模拟误差
源的累积
或是电压或是电流 一般
在该系统中传感器的供
电流回路方
在过去十年设计的大多数应
这个接口一直是将模拟数
供以计算机为基础的数据采
或数字式显示装
传统的传感器
该系统本身通常是大
SMART 压力传感器
传
成套压力传感器系统被安装在一个皮托管上
一飞行中飞机的空气流中
压力或环境压力
该模块正在波音公司的下一代新技术演示飞机上工作
另一种是监测与飞机速度有关的动压力 现在
用于 A320 空中客车的空气数据模块与前一张插图中示出的模块
相似
块
但未安装在皮托管上 每架空中客车安装了 8 个这样的模
可为 Honeywell 空气数据惯性参照系统提供压力测量
通过提供各种传感功能
节功能
对热效应进行补偿和密
信号调
封测量点处的用户装置克服了这
传感器的用途有两种 一种是测量静
皮托管延伸到流过
个缺点
然后传感器通过一个抗
噪声数字的接口将数据发送给
用户
Honeywell
三个例子
SMART 压力传感器的开发一直
受到霍尼韦尔公司内部数个机
构的鼓励促进
前商业航空部
防御系统组 军用航空电子设备
部
工业控制设备部 固态电子
设备部 系统研究中心以及海底
系统部
通过这种协作开发的两
种 SMART 传感器显示在本页的
插图中
其中一个传感器是装在皮托管
上的远程空气数据模块于 1985
年交付给波音公司作飞行试验
用
目前 此传感器正在他们的
下一代技术演示飞机上工作
一
个未安装在皮托管上的等效传
感器自 1986 年开始
它用于由
霍尼韦尔公司空运系统部为
A320 空中客车制造的空气数据
惯性参照系统
已经证实 其标
准传送性能一般优于整个压力
和温度环境内满刻度总误差带
的
另一个 SMART 传感
0.01
器是 1983-84 年为检测 MK-46
鱼雷的深度而研制的
利用了一个辅助模拟输出
这个应用
工作原理
在这些传感器中使用的固态传
感器均基于(1-0-0)硅中的压敏电
阻效应
电桥输出信号的振幅是压力和
温度的函数
所示
随这个 “原”传感器输出而
变的高温是不妥当的
随温度变化的元件
如 77 页上插图中
最明显的
实际上是由
于传感器膜片随温度升高而 “软
化”造成的
现的随温度变化的误差
为了校正这种重复出
在电路
芯片上提供了一个热敏电阻器
将这个电阻器测得的温度供模
拟算法使用再对传感器内的随
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温度变化的误差源进行补偿
传感器设计基础
长期稳定性是我们对 SMART 传
感器中所用传感器的主要设计
目标
因此我们不能为了尝试补
偿热效应和压力非线性度而在
传感器芯片上堆满机械和电气
器件
这一点非常重要
传感器上的唯一绝对要求是可
获得高度再生性的稳定结果
此
传感器可以做得非常简单
因
并可以在数字模拟算法中进行
校正 这种简单结构可提高可靠
性
可重复性和稳定性 并可降
低热滞后量和传感器的成本 其
结果是无补偿
的传感器
松容差但却稳定
上面的插图中显示了这种传感
器的一个示例
这种传感器用于
霍尼韦尔公司的空气数据和发
动机-压力-比产品中
用和军用场合使用
机
如波音 727,737 和 747 麦
供许多民
包括各种客
道 MD-80 系列和 DC-10 以及不
久将投入使用的 A320 和
Fokker100 空中客车
测量方式
为此
敏电阻传感器
一般没有高性能纯差动压
尽管对使用硅胶
或其它方法钝化芯片的有效侧
以便获得纯差动测量结果做了
各种尝试
供
准差动 测量能力克服了差
动传感器稳定性问题
我们的传感器通过提
Honeywell
为了合成差动测量结果 用于测量空气数据的准差动传感器可以高精
度测量两个绝对压力
相同的参考真空
室的剩余压力差
该传感器是一种双通道绝压装
置
原计划设计用于高性能一次
空气数据应用(给飞行员
驶仪和飞机上的其它系统提供
高度
空气速度 马赫数和其它
有关资料) 参考文献 1 中对此进
行了详细讨论
在空气数据应用中
解两个压力
为了监测高度要知
道环境绝对压力
通过空气移动所产生的动态压
力的差动测量可提供计算空气
速度所需要的信息
用于确定马赫数
可提供精确测量两个绝对压力
的能力
因为两个传感元件都密
封在相同的参考真空室中 所以
它们之间没有参考真空差
个绝对压力测量结果中减去另
一个测量结果可获得精确的差
动测量结果
将两个传感器安装在同一外壳中 使它们共享
就可以消除潜在误差源 即就是两个独立参考真空
将两个绝对压力相减以合成差
自动驾
动测量结果的概念
概念
感器实现的
它一直是用独立的压力传
每个传感器都有其
并不是新的
自身的独立于参考真空的误差
采用固态电子设备部的微型压
敏电阻传感器技术可将两个绝
压传感器组成在相同的组件中
需要精确了
并共享相同的参考真空 这样任
何参考真空误差就成为共模误
一个对因飞机
差
从而从差动测量中消失
单一的参考真空的优点可解释
两个压力可
准差动传感器
如下
压力
和 P2是要测量的输入
P
1
而 V1和 V2是对应的参考
真空室中的压力(真空绝不是完
全真空)
从一
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传感器无补偿的输出在很大程度上取决于温度和压力
图形的
表面向右下倾的实情表示温度升高时传感器对压力变得不太敏
感
在固定温度下传感器对压力的响应也呈轻微的非线性
通过调用一个算法来模拟补偿
化的误差及非线性度可大大提高传感器的精度
直刻度放大了 2000 倍
偏离
此图表明 测定压力和温度所有组合的传感器可精确到
以便与理想传感器的可见响应稍有些
原 传感器数据中和随温度变
此插图中的垂
0.01%内
Honeywell
通常
用下式计算
(P
(P
与此相反
参考真空 V
(P
因此
个绝对压力测量结果
空误差源影响准差压测量
高压压敏电阻压力传感器(用于 2000
psi 以上的场合)一般需要采用不同的方
法以便使传感器保持较小的体积
承受环境施加的高应力水平
会使性能稍有降低
益的高压传感器长期可靠使用
数字信号处理
SMART 传感器中使用的微型计算机允
许简单的传感元件仅按松容差制作
便进行高精度测量
过程可以用一种算法来测量和系统地
补偿每个传感器及其有关的模拟-数字
转换器的重复误差源
将输出数据格式化
连续自测
户定义的加法换算或极限函数
先合成两个压力的差压 然后采
)~(P2-V2)=
1-V1
)+(V2-V1)
1-P2
准差压测量仅用单一的共用
-V)-(P2-V)=(P1-P2)
1
通过将一个共用参考真空用于两
就不会有参考真
但能使具有成本效
通过被称为模拟的
微型计算机还能
执行传感器功能的
提供串行通信以及执行由用
并可
这种方法
以
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通过模拟进行校准可使我们生
产不用任何精密元件和无需进
行模拟校准调试的传感器
模拟算法能校正压力非线性度
和固定的并随温度变化的误差
源
提供优越的性能 可靠性和
长期稳定性
77 页上的插图对模拟前的标准
化
原 传感器性能与模拟后的
系统精度进行了比较
通过数字模拟进行补偿
由于单独
因而所
有的点都可精确到满刻度的
0.01%内
这种性能水平是最终
用户用 SMART 传感器系统能够
实现的水平
种算法功能
参数转换为另一种参数
因为模拟仅仅是一
所以它还能将一种
例如
模拟算法能合并大气压和高度
之间的非线性关系
必要时还可以处理其他数字数
据
例如 传感器的动态性能(对
压力变化的响应)可通过数字滤
波算法形成
统来说
或者 对于控制系
微型计算机可计算和输
出除基准比例函数外的微分和
积分函数
至可以是这些项的加权组合
实际上 输出操作甚
数字通信与控制
在传感器内装入微型计算机可
使我们增加许多其他能提高性
能和更加方便的特性
在常规模
拟传感器中是无法得到这些特
性的
传感器和使用系统之间的通信
是体现数字技术显著优点的领
域
采用标准串行通信协议如
RS-423(默认)RS-422
RS-232C
或 ARINC 429(用于空气-数据模
块)传感器可以很容易地配置并
输出它的数据
采用这些格式中
的某些格式可以在一对导线上
多路传输来自若干传感器的信
号
空气数据模块提供了一个双
向 RS-423 通道和一个 ARINC
429 不定向输出
多种通信格式
可以同时适应
双向通信可以使
用户控制和监视(通过内部机内
测试特性)传感器的工作
这种设
施允许自动进行校准核验和调
整
无需拆下传感器 还可以提
供其他输出格式
甚至是模拟(如
前面提到的那样)以便与现有系
统相连接
数字输入-输出链路的另一个重
要优点是
敏感性
对接口感应噪声的不
在模拟接口中 为减少
混淆现实而进行的滤波会降低
总体系统的动态性能
SMART
传感器使用的数字接口可以采
用标准误差检测和校正技术
如奇偶校验和数据重构
例
这样就
可确保传感器和用户之间的高
度完整性的数据链路
因此 在
合成压力测量结果上叠加的外
来噪声极小
结论
或许归纳 SMART 传感器优点的
最好方法是考虑首字母缩略词
“SMART 的含意
如下
传感器的优点
• 使用简单
数字接口能将系统
设计师从耗时的研究和设计
传感器工作中解放出来
Honeywell
• 易于维护
都是由固件控制的
数字数据链路来控制
调节固件
• 精确 用户只要了解单一的精
度规格
中时
会完全实现
• 可靠 数字机械化的简单和稳
定性可确保传感器的可靠性
• 适应性强 微型计算机能根据
现场插入的函数编程以换算
和限制输出数据
鸣谢
我想对下列人员为本文中所述
的 SMART 传感器的开发和基于
该传感器的应用所做的突出贡
献表示感谢
(DSG)
(DSG)
吉姆 布鲁德里克(ATSD) 都格
达斯高普塔(ATSD)
马斯(ATSD)
德荷(ATSD)
鲍尔哈夫纳(USD) 鲁斯 约翰
逊(SSED)
马克 曼夫雷克(ATSD) 雷 穆
伦 (SSED)
(SSED)
(ATSD)
S&RC)
罗德 斯坦吉兰德(ATSD) 吉
姆
斯达(SSED) 汤姆 托伦顿
(MAvD)和戴夫
(SSED)
参考文献
1. 杜普依斯
空气数据优质压力传感器
1985 年国家航空电子设备会议
论文集
传感器的许多功能
可以通过
测试和
当传感器组合在系统
传感器规定的精度一定
都格 阿特金斯
奥拉夫
贝克曼小组
鲁斯 比尔斯基(ATSD)
切瑞尔 迪
里泽 法勒格-泽
艾德 费恩(ICD)
卡尔 里切勒(ATSD)
彼德 纳斯鲍姆
吉拉德 奥布瑞恩
杰夫 斯克斯(USD 和
斯宾塞 斯库尔德(PSC)
沃姆斯塔德
鲍尔 新型一次
Honeywell/Commercial Switch-Sensor 霍尼韦尔开关与传感器 5
上海: Tel:021-62370237 北京: Tel:010-84583280 深圳: Tel:0755-5181226 广州: Tel:020-38791169 e-mail:jian.bo.zhou@honeywell.com http://www.honeywell.com/sensing
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