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海洋專用高精度壓力傳感器溫度特性及補(bǔ)償算法研究 壓力傳感器廣泛應(yīng)用于海嘯監(jiān)測 、 水位計(jì) 、驗(yàn)潮儀 、溫鹽深探測儀 、浮標(biāo) 、潛標(biāo) 、水 下移動(dòng)平 臺和海底觀測網(wǎng)等海洋觀測系統(tǒng)。 隨著海洋觀測技術(shù)的發(fā)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(yīng)快 、體積小 、精度高 、靈 敏度高且無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)Ⅲ，但 由于半導(dǎo)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(huán)境溫度的影響，使用時(shí)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 國家海洋技術(shù) 中心海洋測量傳感器技術(shù)研究室承擔(dān) 了“863”課題“海洋專用高精度壓力傳感器 ”的研制任務(wù) ，與沈陽市傳感技 術(shù)研究所一起研發(fā)了自帶溫度 的高度精度壓力傳感器。 傳感器選用藍(lán)寶石作為芯體基底材料 ，利用藍(lán)寶石在某些晶向上與單 晶硅的晶體結(jié)構(gòu)相同的特點(diǎn) ，應(yīng)用低壓氣相外延法生成單晶硅 ，制作硅應(yīng)變電阻構(gòu)成惠斯頓電橋 ，同時(shí)在傳感器內(nèi)部濺射一個(gè)100n 、阻值變化率為0.39n的鉑電阻， 以便同時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)采集后，單片機(jī)中的軟件算法對壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償與動(dòng)態(tài)修正，最終得到高精度數(shù)字壓力輸出。 1 傳感器溫度特性實(shí)驗(yàn)方案 將壓力傳感器及采集電路置于高低溫試驗(yàn) 箱內(nèi)， 設(shè)定控溫點(diǎn)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(jì)(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(biāo) ，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)(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(shù)據(jù) 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(shù) )按壓力做 曲線(圖 2 ) ，可 以看出，溫度系數(shù)隨壓力也呈現(xiàn) 出較好的線性關(guān)系。
圖 2 壓力傳感器溫度系數(shù)與壓力關(guān)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(guān) 。 表明傳感器溫度系數(shù)受到壓力和溫度共 同的影響。 3 壓力傳感器溫度補(bǔ)償算法 溫度補(bǔ)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(yīng)室溫(本次實(shí)驗(yàn)是23.65 ℃ ，對應(yīng)鉑電阻值104.76 n )環(huán)境下的壓力輸出，然后使用室溫下的壓力定標(biāo)系數(shù)計(jì)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(yīng)室溫(r0)環(huán)境下的壓力電壓 (p。)可以用下列關(guān)系式表達(dá) ：
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(shù)； 是與壓力相關(guān)的溫度系數(shù)非線性修正項(xiàng) 。 溫補(bǔ)系數(shù)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(rèn)為是保持不變的。 使用各溫度條件下的壓力定標(biāo)數(shù)據(jù)，借助MATLAB的linsolve函數(shù)解以下方程組可以得到W0，W1，W2的最優(yōu)值。
壓力傳感器在測量時(shí)，首先由單片機(jī)讀取鉑電阻值和壓力電壓值 ，計(jì)算得到對應(yīng)室溫下的壓力電壓 ：
然后，代人式 (3 ) ，換算出溫度補(bǔ)償后的壓力值。 4 溫度補(bǔ)償結(jié)果 使用上述方法得到壓力傳感器的溫補(bǔ)系數(shù)并計(jì)算其補(bǔ)償后的輸出電壓(見表2 ) ，經(jīng)過溫度補(bǔ)償后，壓力電壓基本不受溫度的影響。
表2 經(jīng)過溫度補(bǔ)償后壓力傳感器在不同溫 度和壓力條件下的輸出電壓數(shù)據(jù)(mV ) 代人壓力系數(shù)ao，a1，a2，a3， 計(jì)算出壓力值， 減去活塞式壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壓力得到測量誤差如圖 4 所示 ：
圖 4 壓力傳感器在經(jīng)過溫度 補(bǔ)償后的測量誤差 在-5～50℃的環(huán)境溫度變化過程中， 經(jīng)過溫補(bǔ)后的壓力電壓波動(dòng)不超過0.3 mV ， 換算成壓力時(shí)，誤差不超過1.5 dbar， 較未經(jīng)溫補(bǔ)時(shí)減小約兩個(gè)數(shù)量級。 經(jīng)過1個(gè)月的高強(qiáng)度老化后 ，選取4個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。 沿用舊的溫補(bǔ)系數(shù) ，使用常溫下定標(biāo) 的新的壓力系數(shù)計(jì)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(shù) ，誤差超過4 m ， 說明將溫補(bǔ)系數(shù)與壓力系數(shù)分離的補(bǔ)償思路是合理且有效的。
5 傳感器動(dòng)態(tài)特性 經(jīng)過溫度補(bǔ)償 ，傳感器 的靜態(tài)特性達(dá)到了項(xiàng)目考核要求 ，但是濺射鉑電阻和壓力電橋?qū)囟茸兓煌捻憫?yīng)速度會(huì)導(dǎo)致其在溫度快速變化時(shí)產(chǎn)生補(bǔ)償誤差 ，有必要予以動(dòng)態(tài)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(gè)大氣壓 ，此時(shí)溫度系數(shù)為正 ) ，其溫度和壓力輸出見圖6 。 可 以直觀看出， 鉑電阻響應(yīng)速度要比壓力電橋要快 ，溫度補(bǔ)償可能會(huì)出現(xiàn)過 沖的現(xiàn)象(圖 7 )。
圖 6 溫度變化時(shí)傳感器的阻值、壓力響應(yīng)圖 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ，在一個(gè)大氣壓下 ，快速降溫時(shí) ，溫補(bǔ)后的壓力會(huì)增大 ，升溫時(shí) ，壓力會(huì)減小 ，結(jié)合 圖 1 的溫度特性 ，不難推測 ，在高壓力下，升 、降溫對溫補(bǔ)后的壓力影響正好相反 。 對鉑電阻施加時(shí)間常數(shù)為100S的一 階低通濾波，可以初步抑制溫度過度補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象 ，提高其動(dòng)態(tài)測量的精度 。 但是這種延長快速傳感器響應(yīng)時(shí)間以匹配慢速傳感器的方法會(huì)犧牲其分辨率，更有效的動(dòng)態(tài)矯正方法還待進(jìn)一步研究。
圖 7 匹配時(shí)間常數(shù)后的溫補(bǔ)壓力動(dòng)態(tài)測量圖 6 總結(jié) 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(chǔ)上提出了一種簡單而實(shí)用的溫度補(bǔ)償方法 ，僅用3個(gè)溫補(bǔ)系數(shù)實(shí)現(xiàn)-5～5O ℃、0～60MPa范圍的高精度壓力溫補(bǔ)， 同時(shí)該訂正方法實(shí)現(xiàn)了壓力系數(shù)和溫度系數(shù)的分離，壓力傳感器只需出廠時(shí)在高低溫試驗(yàn)箱中做一次多溫度點(diǎn)下的壓力定標(biāo)實(shí)驗(yàn) ，計(jì)算得到傳感器的溫度系數(shù) ，此后溫度系數(shù)保持不變 ，后續(xù)只需在常溫下進(jìn)行壓力定標(biāo)即可 ，具有良好的可操作性和實(shí)用性， 該方法對于同類壓力傳感器的溫度補(bǔ)償具有一定的參考意義。 參考文獻(xiàn)： [1] 姬生浩． 擴(kuò)散硅壓力傳感器溫漂補(bǔ)償?shù)能浖䦟?shí)現(xiàn)[D]． 西安 ： 西北 工業(yè) 大學(xué) ，2007． |
