|
海洋專用高精度壓力傳感器溫度特性及補償算法研究 壓力傳感器廣泛應用于海嘯監測 、 水位計 、驗潮儀 、溫鹽深探測儀 、浮標 、潛標 、水 下移動平 臺和海底觀測網等海洋觀測系統。 隨著海洋觀測技術的發展 ， 對壓力傳感器的測量精度的要求越來越高。壓阻式壓力傳感器作為一種廣泛使 用的壓力傳感器 ，具有響應快 、體積小 、精度高 、靈 敏度高且無運動部件等優點Ⅲ，但 由于半導體材料及制造工藝方面的原因，該類型壓力傳感器溫度特性較差 ，測量值易受環境溫度的影響，使用時需要進行溫度補償。 國家海洋技術 中心海洋測量傳感器技術研究室承擔 了“863”課題“海洋專用高精度壓力傳感器 ”的研制任務 ，與沈陽市傳感技 術研究所一起研發了自帶溫度 的高度精度壓力傳感器。 傳感器選用藍寶石作為芯體基底材料 ，利用藍寶石在某些晶向上與單 晶硅的晶體結構相同的特點 ，應用低壓氣相外延法生成單晶硅 ，制作硅應變電阻構成惠斯頓電橋 ，同時在傳感器內部濺射一個100n 、阻值變化率為0.39n的鉑電阻， 以便同時獲取溫度信號。高精度的A／D電路對溫度和壓力的電壓信號進行實時采集后，單片機中的軟件算法對壓力傳感器進行實時溫度補償與動態修正，最終得到高精度數字壓力輸出。 1 傳感器溫度特性實驗方案 將壓力傳感器及采集電路置于高低溫試驗 箱內， 設定控溫點為 50，43，35，25，15 ，5 ，0 ，-5℃， 待溫度平衡后 ，使用高精度活塞式壓力計(精度 ：0.005％F．S ) 分別對其做 0 ，1 ，3 ，5 ，10 ，15 ，25 ，35 ，45 ，55 ，60M Pa 的壓力定標 ，實驗結果如表 1 所示 。 2 溫度特性分析
表1壓力傳感器在不同溫度和壓力條件下的輸出電壓數據(mV)
圖 1 壓力傳感器在不同溫度和壓 力條件下的輸出電壓數據 將傳感器壓力 電壓與溫度做線性擬合 ，將得到的斜率(即溫度系數 )按壓力做 曲線(圖 2 ) ，可 以看出，溫度系數隨壓力也呈現 出較好的線性關系。
圖 2 壓力傳感器溫度系數與壓力關系圖 將傳感器壓力電壓與溫度做線性擬合后的殘差按溫度做 曲線(圖 3 ) ，可以看出，擬合誤差近似呈拋物線型且與壓力相關 。 表明傳感器溫度系數受到壓力和溫度共 同的影響。 3 壓力傳感器溫度補償算法 溫度補償算法的基本思想是將特定溫度下的壓力 電壓修正到對應室溫(本次實驗是23.65 ℃ ，對應鉑電阻值104.76 n )環境下的壓力輸出，然后使用室溫下的壓力定標系數計算出壓力值 。 基于上述壓力傳感器溫度特性的分析 ，不難得出 ，壓力傳感器某一溫度(r)條件下壓力電壓測量值(p )與對應室溫(r0)環境下的壓力電壓 (p。)可以用下列關系式表達 ：
式 中 ：r 為鉑電阻值 ；r0為室溫下 的鉑 電阻值 ；W0，W1 代表傳感器在不同壓力下的溫度系數； 是與壓力相關的溫度系數非線性修正項 。 溫補系數W0，W1，W2描述了壓力傳感器的不同壓力下的溫度特性 ，在一定程度上可認為是保持不變的。 使用各溫度條件下的壓力定標數據，借助MATLAB的linsolve函數解以下方程組可以得到W0，W1，W2的最優值。
壓力傳感器在測量時，首先由單片機讀取鉑電阻值和壓力電壓值 ，計算得到對應室溫下的壓力電壓 ：
然后，代人式 (3 ) ，換算出溫度補償后的壓力值。 4 溫度補償結果 使用上述方法得到壓力傳感器的溫補系數并計算其補償后的輸出電壓(見表2 ) ，經過溫度補償后，壓力電壓基本不受溫度的影響。
表2 經過溫度補償后壓力傳感器在不同溫 度和壓力條件下的輸出電壓數據(mV ) 代人壓力系數ao，a1，a2，a3， 計算出壓力值， 減去活塞式壓力計標準壓力得到測量誤差如圖 4 所示 ：
圖 4 壓力傳感器在經過溫度 補償后的測量誤差 在-5～50℃的環境溫度變化過程中， 經過溫補后的壓力電壓波動不超過0.3 mV ， 換算成壓力時，誤差不超過1.5 dbar， 較未經溫補時減小約兩個數量級。 經過1個月的高強度老化后 ，選取4個溫度點進行重復性實驗。 沿用舊的溫補系數 ，使用常溫下定標 的新的壓力系數計算其壓力誤差 (圖 5 ) ，最大壓力誤差 1.2111，而如果均采用舊的壓力系數 ，誤差超過4 m ， 說明將溫補系數與壓力系數分離的補償思路是合理且有效的。
5 傳感器動態特性 經過溫度補償 ，傳感器 的靜態特性達到了項目考核要求 ，但是濺射鉑電阻和壓力電橋對溫度變化不同的響應速度會導致其在溫度快速變化時產生補償誤差 ，有必要予以動態矯正 。 將壓力傳感器在在高低溫箱 中升溫和降溫 (壓力為一個大氣壓 ，此時溫度系數為正 ) ，其溫度和壓力輸出見圖6 。 可 以直觀看出， 鉑電阻響應速度要比壓力電橋要快 ，溫度補償可能會出現過 沖的現象(圖 7 )。
圖 6 溫度變化時傳感器的阻值、壓力響應圖 實驗發現 ，在一個大氣壓下 ，快速降溫時 ，溫補后的壓力會增大 ，升溫時 ，壓力會減小 ，結合 圖 1 的溫度特性 ，不難推測 ，在高壓力下，升 、降溫對溫補后的壓力影響正好相反 。 對鉑電阻施加時間常數為100S的一 階低通濾波，可以初步抑制溫度過度補償的現象 ，提高其動態測量的精度 。 但是這種延長快速傳感器響應時間以匹配慢速傳感器的方法會犧牲其分辨率，更有效的動態矯正方法還待進一步研究。
圖 7 匹配時間常數后的溫補壓力動態測量圖 6 總結 本文較為深入地研究了壓阻式壓力傳感器的溫度特性，在此基礎上提出了一種簡單而實用的溫度補償方法 ，僅用3個溫補系數實現-5～5O ℃、0～60MPa范圍的高精度壓力溫補， 同時該訂正方法實現了壓力系數和溫度系數的分離，壓力傳感器只需出廠時在高低溫試驗箱中做一次多溫度點下的壓力定標實驗 ，計算得到傳感器的溫度系數 ，此后溫度系數保持不變 ，后續只需在常溫下進行壓力定標即可 ，具有良好的可操作性和實用性， 該方法對于同類壓力傳感器的溫度補償具有一定的參考意義。 參考文獻： [1] 姬生浩． 擴散硅壓力傳感器溫漂補償的軟件實現[D]． 西安 ： 西北 工業 大學 ，2007． |
