基于微处理器的传感器高性能处理模块设计与实现

发布时间：2020-10-30 04:05

　　 随着物联网和5G网络的发展,各领域自动化程度越来越高,各行各业对智能传感器的需求也与日俱增。就目前市场而言,高速度和高精度的智能传感器依旧是主要发展趋势。优质的传感器可以节约大量人力成本,缩短工作时间,提升工作效率,进而提高经济效益。对于传感器本身,其速度特性和精度特性却相互制约,如何同时兼顾两者是传感器领域研究的永恒话题。本文通过对传感器系统进行研究,选用对速度和精度同时敏感的电阻应变式传感器作为研究模型,设计了一套高速度和高精度的传感器处理模块实现方案。该方案硬件部分采用交变激励、全差分信号调理、过采样和比率测量技术实现硬件系统的高速低噪声特性,软件部分采用ARM Cortex-M4微处理器进行数字滤波和补偿算法实现快速高精度特性。经过实验本系统的精度可达百万分之五,达到了预期设计指标。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

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工作原理和ＡＲＭ微处理器的特性，??结合其工作所需的条件和山东省重点研发项目所要求的指标，分析设计了本课题??研宂的传感器处理模块的总体设计方案，然后介绍了在硬件设计和软件设计中，??实现处理模块髙速度和高精度性能同时满足需求的具体方案。??２．１电阻应变式传感器原理??电阻应变式传感器在工业领域中应用非常广泛，其原理是基于电阻应变效应，??当材料受到外力作用产生拉伸或压缩等形变时，材料的电阻值会产生相应的变化。??根据元件制作的原材料，通常分为金属元件和半导体元件，以金属为例，如图２－??１所示的是金属电阻丝形变示意图，长度为Ｉ，半径为ｒ的金属丝在受到外力Ｆ??作用后，产生轴向拉伸形变ＡＬ和纵向收缩形变Ａｒ。??Ｌ?ａ！??＜??？???Ｆ?????—？??ｒ?????Ａｒｔ???图２－１金属电阻丝形变示意图??７??

?山东大学硕士学位论文???变化与形变关系如公式２－１０所示：??ｖ（＼?＋?２ｊｕ）ｅ＝Ｋｅ?（２－１０）??式中尤为常数，定义为金属材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起??的电阻相对变化量。电阻应变片所用的金属丝材料的灵敏系数一般在１．?８－３．?６之??间。??对于半导体材料，其灵敏系数要比金属材料高５０？８０倍，半导体材料的灵??敏度虽然较高，但其易受温度影响，稳定性较差，在大应力作用下会产生较大的??非线性误差。而金属材料工作性能稳定、可靠性好、寿命长、成本低、易于加工、??种类繁多，更易于满足各类需求和大规模应用。??电阻应变片便是基于金属丝应变原理的一个应用。图２－２所示为电阻应变片??的结构图，其主要由覆盖层、基底、引线、黏合剂、敏感栅构成。覆盖层和基底??主要起保护作用，敏感栅一般选用灵敏系数较高且稳定性好的金属丝，敏感栅粘??贴在覆盖层和基底之间，使用引线将其引出。??敏感栅?甚底??覆盖层?＼?卷＾氐??＼?＼?ｙ／引线??图２－２电阻应变片结构图??电阻应变式传感器通常将电阻应变片与电桥电路结合，通过电桥特性把应变??片的电阻变化量转化为更易于进行测试的电压信号。各种电桥电路中，单臂电桥??技术成熟、成本低，应用最为广泛。单臂电桥的最具有代表性的例子就是惠斯通??电桥，它使用方便、灵敏度高且结构简单，随着科学技术的发展，惠斯通电桥也??被广泛地应用于实际生活中［１（）］。??９??
【参考文献】

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本文编号：2861959