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寬溫區高精度壓力傳感器補償方法研究 硅壓阻壓力傳感器因其靈敏度高、動態響應快、穩定性好、工作溫度范圍寬等優點。在航空、航天、船舶等領域應用廣泛[1]。在飛行器堯兵器、船舶等的一些關鍵部位如火箭推進劑貯存箱的壓力監測[2]。其測量精度直接影響整體的性能。目前硅壓阻壓力傳感器普遍存在較大的溫度漂移。導致綜合精度下降，所以研究硅壓阻傳感器的溫度補償方法袁提高測量精度。具有重要意義遙由于硅的材料特性，溫度變化會引起壓敏電阻特性和壓阻特性變化。從而引起較大的零點漂移和靈敏度漂移[3]，導致傳感器在工作溫度范圍內的總誤差增大，因此需要對其進行溫度補償遙 目前常用的補償方法有硬件補償和軟件補償，硬件補償電路復雜調試困難。不適合工程化[4]，軟件補償一般有曲面擬合[5]。樣條插值和神經網絡算法[8]等。對改善精度有較好的效果，但曲面擬合和神經網絡算法運算量大。給單片機執行造成較大的難度。而單一的樣條插值算法，需要的插值點數較多。增加了應用操作復雜度，本文根據硅壓阻芯體的原始輸出特性。提出一種采集電路以及曲線擬合，三次樣條插值兩種算法相結合的方法，并進行了實驗驗證，該方法提高了傳感器測量精度，具備工程操作性，可在航空，航天，船舶等壓力傳感器領域推廣應用。 1 芯體電壓采集電路 由于硅壓阻芯體靈敏度一般為十幾~幾十mV/V，當電橋供電電壓為 3 V 時， 其輸出電壓一般不超過50 mV，要達到萬分之幾的測量精度，對采集電路的要求高，對此本文采用了如圖 1 所示的采集電路。
圖 1 芯體電壓采集電路 將壓敏電橋和測溫鉑電阻封裝在壓力敏感芯體中，能夠更精準地測量壓敏電橋所處的環境溫度，提高補償精度，比直接將鉑電阻濺射到敏感芯體上[9]。能避免鉑電阻受到加載壓力影響，相比溫壓復合芯體方案還需提取壓敏芯體的溫度系數[10]，運更簡單遙壓敏電橋由精密基準源供電，其輸出通過差分放大電路，進入 24 位 A/D。差分放大電路能有效抑制共模噪聲，本文所選的 24 位 A/D 在采樣率為10 Hz 的情況下有效位數為 20 位。當基準電壓為3V時。其電壓測量精度為 0.002 mV，能夠滿足測量要求遙鉑電阻的解調也同樣經過電橋，差分電路進入 24 位 A/D， A/D 轉換結果輸出至單片機，單片機將放大后的電壓除以放大倍數得到兩個電橋的原始電壓，單片機執行采集任務，標定程序和補償算法，將最終轉換的結果輸出至上位機遙。 2 芯體原始數據采集 將 2.5 MPa 壓力傳感器放入高精度溫箱中。設定好溫度點，使用高精度壓力計進行加載。測得壓敏電橋和溫度電橋原始輸出電壓如表 1 所示。
表 1 不同溫度下壓敏電橋和溫度電橋原始輸出情況 將不同溫度下，壓敏電橋輸出數據繪制成曲線袁如圖 2 所示。
圖 2 不同溫度下壓敏電橋輸出 由圖 2 可知，在恒定溫度下，加載壓力與電橋輸出電壓呈現較好的線性，可以用多次項擬合得到很高的精度，且運算量不大，能節約單片機資源。不同溫度之間，壓敏芯體的靈敏度存在明顯的漂移。溫度間距其靈敏度變化不等，應根據靈敏度隨溫度變化的曲線來選擇合適的擬合方式。 3 補償算法 設恒定的溫度 Tj，給傳感器施加壓力 Pi，讀取相應的壓力芯體的輸出值 Vi，i=1，2，N，即在 Tj 共有 N 組讀數咱，P1，V1，P2，V2，PN，VN，在此N=6，即 6 個壓力加載值。 用最小二乘法擬合出溫度 Tj 下的多項式校準曲線。 根據表 1 的數據，用最小二乘法擬合算法計算出不同溫度下多項式系數，見表 2，將溫度電橋電壓與系數繪制成曲線如圖 3 所示。
表 2 不同溫度下的擬合系數
圖 3 溫度電橋電壓與系數的關系 從上圖可以看出。溫度電橋與各項系數線性度很差，若采用最小二乘多項式擬合，當項數較小時會帶來較大的誤差，當項數較多時會導致單片機運算量大大增加，鑒于此，對溫度電橋電壓與各項系數關系采用三次插值算法進行曲線擬合，三次樣條插值不僅在節點處連續，其一階導數與二階導數也具有連續性，在工程上應用廣泛[11] 每一個多項式系數 C0~C3 由 6 個三次多項式組成袁具體形式如下。
單片機采集溫度電橋電壓通過三次樣條插值求解可得任意溫度點各項系數，通過各項系數和采集到的壓力電橋電壓，進行最小二乘曲線擬合求得壓力值。 4 試驗驗 將算法和原始數據寫入單片機，單片機對采集的數據進行實時解算，直接得到壓力值。為驗證算法的有效性，再次將壓力傳感器放入高精度溫箱中，設定好溫度點，使用高精度壓力計進行加載，不同溫度下和加載壓力下，單片機的輸出壓力見表 3，各測量點的滿量程誤差見圖 4。
表 3 不同溫度下傳感器輸出壓力情況
圖 4 不同溫度下壓力傳感器測量誤差 從表 3 和圖 4 可知，單片機經過溫度補償后能準確地輸出被測壓力值。經過溫度補償后的壓力傳感器具有很高的測量精度，在-30~90，溫度范圍內傳感器測量誤差均在依0.04%FS 以內。 5 結語 本文采用基于單片機的高精度采集電路袁提高壓敏芯體和溫度電橋的原始電壓測量精度， 在恒定溫度下，加載壓力與壓敏芯體輸出電壓呈現較好的線性，采用最小二乘擬合算法，能減小運算量，在不同溫度下，多項式系數隨溫度變化的線性度較差，從而采用三次樣條插值，以減小誤差遙，兩種算法結合運用，經過溫度補償后的壓力傳感器具有很高的測量精度，在-30~90度，溫度范圍內傳感器測量誤差均在依0.04%FS 以內，電路和算法簡單易行袁操作方便。 參考文獻院 |
