|
高精度壓力傳感器中溫度補(bǔ)償技術(shù)研究0引言 壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成的壓力傳感器，具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、汽車電子等領(lǐng)域。然而，硅壓阻薄膜作為其核心，對(duì)溫度變化敏感，導(dǎo)致零點(diǎn)溫度漂移，影響傳感器的靈敏度。常用的溫度補(bǔ)償方法主要有兩種:硬件補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法。但是，傳統(tǒng)的根據(jù)傳感器硬件特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ù嬖谡{(diào)試?yán)щy、精度低、通用性差等缺點(diǎn)，沒有工程上的實(shí)際應(yīng)用。軟件補(bǔ)償技術(shù)可以很好地解決這些問題，因此越來越受到人們的重視。 1 基于軟件補(bǔ)償?shù)母呔葔毫z測(cè)系統(tǒng) 軟件補(bǔ)償是將微處理器與壓力傳感器相結(jié)合，充分利用微處理器豐富的軟件功能，通過一定的補(bǔ)償算法對(duì)壓力傳感器溫度引起的誤差進(jìn)行校正。無論采用哪種軟件補(bǔ)償方法，硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)都是相似的，不同之處在于算法。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)以LPC2478為中央處理器的高精度壓力檢測(cè)系統(tǒng)，其主頻高達(dá)72 Mz，片上flash程序存儲(chǔ)器高達(dá)52 k，串口豐富。同時(shí)，系統(tǒng)采用了超高采樣精度的A - D，并配置了一塊SDRAM。 2 算法分析與實(shí)現(xiàn) 目前，軟件補(bǔ)償方法主要有插值法、曲線曲面擬合法、查表法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。在插值方法_3中，假設(shè)數(shù)據(jù)是正確的，并且需要某種方法來描述數(shù)據(jù)之間發(fā)生的情況。曲線擬合方法試圖找到一條光滑的曲線，它是最好的擬合數(shù)據(jù)，但不需要經(jīng)過任何數(shù)據(jù)點(diǎn)。表查找方法是將一系列參數(shù)預(yù)加載到參數(shù)表中， 測(cè)量數(shù)據(jù)獲得后，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行處理。表查找占用大量存儲(chǔ)空間，不適合微處理器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過樣本訓(xùn)練確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。最大的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)。本文提出了一種結(jié)合曲線擬合和三樣條插值的補(bǔ)償算法，可以顯著提高補(bǔ)償性能。 2.1 多項(xiàng)式擬合
式(2 ) 可展開為一個(gè)關(guān)于系數(shù) 的線性方程組，此方程組有唯一解，即為所求擬合多項(xiàng)式的系數(shù)。 2. 2 三次樣條插值 樣條插值是一種改進(jìn)的分段插值 ，它在每個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的小區(qū)間構(gòu)造一個(gè)樣條函數(shù) ， 同時(shí)，為了保證節(jié)點(diǎn)處的連續(xù) ，要求在節(jié)點(diǎn)處有二階光滑度 ，即有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)． 三次樣條插值函數(shù)定義 如下 ：
從式(4 ) 一(6 ) 可以看 出， 只要求 出 m (k = 0 ，1 ， … ，n) ，即可得至s(x)。 2.3 溫度補(bǔ)償模型 壓力傳感器一般是在 n 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度 t，m 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力 Pj(j = 1 ，2 ，… ，m ) 下進(jìn)行標(biāo)定 ，得到 n ×m 組標(biāo)定點(diǎn)． 基于標(biāo)定過程得到的壓力傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)(ti，pj，uij) 通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄇ蟮萌咧暗暮瘮?shù)關(guān)系如下，這里的是指壓力傳感器的輸出電壓。
針對(duì)此溫度補(bǔ)償模 型， 給出結(jié)合曲線擬合和三次樣條插值的溫度補(bǔ)償算法步驟 ： 1) 固定溫度t1不變，對(duì)壓力P和電壓M進(jìn)行二次曲線擬合，得到兩者關(guān)系曲線：P = f(u ) ； 固定溫度t2不變 ，對(duì)壓力 P 和 電壓 u 進(jìn)行二次曲線擬合 ，得到兩者關(guān)系曲線：p =f (u ) ；依次類推 ，直至固定溫度 t不變 ，得到壓力P 和電壓 的二次曲線 ：p =fn (u ) ． 二次曲線擬合可通過在 M ATLAB中編程實(shí)現(xiàn)； 2) 實(shí)際測(cè)量過程中，將測(cè)得的電壓分別代人P = f1(u ) ，P =f2 (u ) ， … ，P = fn(u) 中，求 出在 n 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度下 的壓力值 ； 3) 對(duì)上述壓力值和標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行三次樣條插值，得到壓力 P 和溫度 t 的關(guān) 系曲線 ，三次樣條插值通過 C 語言編程在 A RM 中實(shí)現(xiàn) ； 4 ) 將溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度值代人上述曲線 ，即可得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膲毫χ怠?/span> 2. 4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析 表 1 給出了壓力標(biāo)定點(diǎn) 、溫度標(biāo)定點(diǎn)時(shí)傳感器輸出電壓值．
表 1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù) 根據(jù)前述算法步驟 ， 對(duì)實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理． 首先 ，固定溫度不變 ，對(duì) P 和u 進(jìn)行二次擬合得 ：
從擬合結(jié)果可以看出，該實(shí)驗(yàn)實(shí)用的傳感器在溫度 固定 的情況下 ， 具有良好的線性特性．分別在8.2 ℃ 、4.6℃ 、2 2.3 ℃ 和 36.5 ℃ 四個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過溫度補(bǔ)償以后的結(jié)果表2 ．
表 2 經(jīng)過溫補(bǔ)的壓力值 該結(jié)果說明經(jīng)過采用曲線擬合和三次樣條插值相結(jié)合的補(bǔ)償方法后， 系統(tǒng)性能得到顯著提升， 同時(shí)，可以通過增加壓力和溫度標(biāo)定點(diǎn)的方法，進(jìn)一步提高溫補(bǔ)性能。 3 結(jié) 語 本文提出的結(jié)合二次曲線擬合和三次樣條曲線插值 的溫度補(bǔ)償方法 ， 可以在標(biāo)定點(diǎn)較少 的情況下實(shí)現(xiàn)較高精度 的溫度補(bǔ)償 ，這樣有效地減少 了傳感器標(biāo)定時(shí)間和工作量． 如果對(duì)壓力傳感器 的精度 提出了更高的要求 ，在充分考慮成本 、硬件計(jì)算能力和運(yùn)行速度的前提下 ，可以通過增加標(biāo) 定點(diǎn) 的方法 提高系統(tǒng)性能 ，這對(duì)于解決 高精度壓力傳感器的溫度補(bǔ)償 問題具有一定 的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn)： [1 ] 李強(qiáng) ，梁莉 ，劉楨等 ． 具有溫度 補(bǔ)償 功 能的智能壓 力傳感 器系統(tǒng) [J] ． 儀器儀表學(xué)報(bào)，2008 (29 ) ：1934 —1938． [2 ] 劉松． 智能壓力檢測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) [D ] ． 天津 ：天津大學(xué) ： 電子信息工程學(xué)院 ，碩士畢業(yè)論 文 ，2006 ：35 —46． [3 ] 王丕濤 ，翟殿棠 ，成 謝峰． 基于三次 B 樣 條插值的壓力傳感器溫度補(bǔ)償 [J] ． 信 息技術(shù) 與信息化 ，2007 (3 ) ：112 一ll5 ． [4 ] 孫志忠 ，袁慰平 ，聞?wù)鸪?． 數(shù)值分析 [M ] ． 南京 ：東南 大學(xué) 出版社 2003 ： 16 —2 1． [5 ] JA SO N Palmer．P recise Pressure Sensor Temperature Compensation A lgorithms[D ] ： M aster T hesis． New Y ork ：State U niversity of New Y ork ， 20 0 6 ：6 7 —75 ． [6 ] 張艷峰 ，嚴(yán) 家明．基于最小二乘法的壓力傳感器溫度補(bǔ)償 算法 [J] ．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 ，2007 ，5 (2 ) ：1870 —1874 ． |
