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(wú)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(guó)、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(lái)，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(wú)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(shuō)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(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等等都具有非常重要的意義。