擴(kuò)散硅數(shù)字化壓力變送器補(bǔ)償技術(shù)

摘要:詳細(xì)介紹了護(hù)散硅數(shù)字化壓力變送器的特點(diǎn)和現(xiàn)狀,，提出了對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器的數(shù)字補(bǔ)償方案和補(bǔ)償算法及實(shí)際測(cè)試結(jié)果。該技術(shù)提高了產(chǎn)品的整體性能,，很好的解決了變送器零點(diǎn)濕漂和靈敏度溫漂的問題,，并通過批量化的生產(chǎn)證實(shí)這種技術(shù)的正確性。
一,、概述
　　本文的介紹了擴(kuò)散硅壓力變送器的數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù),，目的在于提高擴(kuò)散硅壓力變送器的綜合性能，降低由于溫度等外界環(huán)境因素對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器的影響,，使壓力變送器綜合性指標(biāo)能達(dá)到最佳,。
　　擴(kuò)散硅壓力傳感器以其高精度、高穩(wěn)定性,、重復(fù)性好、量程范圍寬,、兼容性好,、靈敏度高、線性好,、無滯后,、反應(yīng)快等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制,，流量測(cè)量，醫(yī)用儀器,，空氣動(dòng)力測(cè)量,，液壓、氣動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域,。但由于擴(kuò)散硅壓力傳感器受溫度變化影響使其性能受到一些影響,。目前國、內(nèi)外對(duì)傳感器的補(bǔ)償方法采用模擬電路補(bǔ)償和在智能芯片或微機(jī)中以軟件的方法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,。其中模擬補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ?在橋臂上串并恒定的電阻法:橋臂熱敏電阻法:橋外上串,、并熱敏的電阻法:雙電橋補(bǔ)償技術(shù)等。使用模擬電路進(jìn)行校正大都存在電路復(fù)雜,、調(diào)試?yán)щy,、精度低、通用性差,、效率低等缺點(diǎn),。軟件補(bǔ)償是將微處理器與壓力傳感器結(jié)合起來，充分利用豐富的軟件功能,、結(jié)合一定的補(bǔ)償算法對(duì)傳感器溫度的附加誤差進(jìn)行修正,。軟件補(bǔ)償?shù)男Ч饶M補(bǔ)償好，達(dá)到的精度更高,，但硬件成本高,，生產(chǎn)工藝相對(duì)復(fù)雜。本技術(shù)采用擴(kuò)散硅壓力傳感器和新型傳感器調(diào)理芯片,，消除了外界環(huán)境溫度對(duì)變送器輸出的影響,，解決了模擬補(bǔ)償中精度低、軟件補(bǔ)償成本高,、頻響低等缺點(diǎn),。解決了在實(shí)際應(yīng)用中的諸多問題，適用于對(duì)精度,、成本等有要求較高的場(chǎng)合使用,。
二、數(shù)字化壓力變送器硬件原理
　　數(shù)字化壓力變送器的原理是采用高性能的擴(kuò)散硅壓力傳感器以及數(shù)字化傳感器信號(hào)調(diào)理芯片組成,。以數(shù)字化調(diào)理芯片PGA309為例,，三線制電壓產(chǎn)品，輸出信號(hào)0.5-4.5VDC,供電5VDC.變送器的原理如圖1所示,。
 
　　PGA309將傳感器輸出的差分信號(hào)進(jìn)行放大和校準(zhǔn),。校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償產(chǎn)品時(shí)采用單線和計(jì)算機(jī)通信。校準(zhǔn)參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)存儲(chǔ)在外部的EEPROM中。PGA309工作時(shí)觸發(fā)溫度ADC測(cè)量溫度,，然后讀取EEPROM中的參數(shù)查詢表,，依據(jù)查詢表中的對(duì)應(yīng)溫度索引的參數(shù)計(jì)算零點(diǎn)DAC和增益DAC的設(shè)置值，進(jìn)而計(jì)算其輸出數(shù)值并輸出,，接著啟動(dòng)溫度ADC新一輪的轉(zhuǎn)換,，如此反復(fù)循環(huán)。
三,、變送器補(bǔ)償算法
補(bǔ)償算法采用最佳擬合直線的算法,。
1、小二乘法擬合直線補(bǔ)償
　　如果實(shí)際校準(zhǔn)曲線有N個(gè)測(cè)試點(diǎn),，對(duì)應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)分別為溫度Ti,，零點(diǎn)電壓Ui(i=1，2,，...N),。
　　設(shè)最小二乘法擬合直線為:
 
　　根據(jù)校準(zhǔn)曲線上N個(gè)測(cè)量值,將式(3)和式(4)編制計(jì)算程序，很快可得最小二乘方擬合直線的截距a和斜率k,。然后再由式(2)求出各殘差δi,，其中絕對(duì)值最大者即為最小二乘非線性誤差。
2,、零基準(zhǔn)線性擬合直線補(bǔ)償
　　從校準(zhǔn)曲線的最小輸出零點(diǎn)電壓值出發(fā)做一-直線,，并要求它與校準(zhǔn)曲線之間的最大偏差盡可能的小，校準(zhǔn)曲線與該直線的最大偏差稱為零基準(zhǔn)線性度,。
設(shè)零基準(zhǔn)線性度的擬合直線為:
U=a+kT
　　如果校準(zhǔn)曲線上N個(gè)測(cè)量點(diǎn),，因?yàn)閿M合直線的起點(diǎn)與校準(zhǔn)曲線的起點(diǎn)一致，均為零基準(zhǔn)點(diǎn)(T0,，U0),，故有:
 
　　將k代入式(5)即可求得。式(8)實(shí)際是由零基準(zhǔn)點(diǎn)做校準(zhǔn)曲線上各均布測(cè)試點(diǎn)的各直線的斜率之權(quán)重平均斜率,。
四,、數(shù)字化壓力變送器補(bǔ)償效果
　　表1~表3數(shù)據(jù)展示了使用模擬補(bǔ)償和上面的數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)變送器的測(cè)試效果。采用麥克傳感器公司生產(chǎn)的MPM281-100kPaG壓力傳感器和PGA309組成的5個(gè)樣本變送器,，其壓力輸入Pmin=0,，Pmax=700kPa，目標(biāo)輸出電壓為Vowrmin=0.5V,，Vowmax=4.5V,。ououtmax采用3個(gè)溫度點(diǎn)補(bǔ)償0,20,60℃。
 
　　從表1可看出未補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鳠o論零點(diǎn)溫度漂移還是滿度溫度漂移都很大,，在80℃時(shí)已近達(dá)到了2~3%F.S.(參比25℃),。
　　表2顯示了利用模擬電路補(bǔ)償?shù)淖兯推髁泓c(diǎn)和滿度溫度漂移仍然比較大,，在-10℃~+80℃溫度范圍內(nèi)產(chǎn)品溫度漂移最大達(dá)到了1.2%FS.
　　表3采用了本文介紹的數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)，可看出產(chǎn)品的輸出精度非常高,，并且產(chǎn)品輸出溫度漂移相當(dāng)?shù)牡停a(chǎn)品在-10℃~+80℃整個(gè)溫度范圍內(nèi),，溫度漂移達(dá)控制在0.1%F.S以內(nèi),。說明該技術(shù)很好的降低了變送器輸出隨溫度漂移的問題。
 
五,、總結(jié)
　　采用數(shù)字電路對(duì)擴(kuò)散硅壓力傳感器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ê图夹g(shù),，可以很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器數(shù)字化溫度補(bǔ)償，達(dá)到了理想的效果,。這種技術(shù)的核心思想采用了對(duì)變送器輸出線性擬合的方法,，溫度段間補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算則采用了線性插值的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)變送器的補(bǔ)償,，從而改善了傳感器和電路元件的溫度漂移,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)擴(kuò)散硅壓阻式壓力變送器的數(shù)字化溫度補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法對(duì)其它基于橋式原理的傳感器的補(bǔ)償也都具有參考和借鑒意義,，在降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本,、提高產(chǎn)品性能和產(chǎn)品在國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等等都具有非常重要的意義。