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寬溫區(qū)高精度壓力傳感器補(bǔ)償方法研究 硅壓阻壓力傳感器因其靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。在航空、航天、船舶等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。在飛行器堯兵器、船舶等的一些關(guān)鍵部位如火箭推進(jìn)劑貯存箱的壓力監(jiān)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(dǎo)致綜合精度下降，所以研究硅壓阻傳感器的溫度補(bǔ)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(diǎn)漂移和靈敏度漂移[3]，導(dǎo)致傳感器在工作溫度范圍內(nèi)的總誤差增大，因此需要對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償遙 目前常用的補(bǔ)償方法有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償，硬件補(bǔ)償電路復(fù)雜調(diào)試?yán)щy。不適合工程化[4]，軟件補(bǔ)償一般有曲面擬合[5]。樣條插值和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[8]等。對改善精度有較好的效果，但曲面擬合和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法運(yùn)算量大。給單片機(jī)執(zhí)行造成較大的難度。而單一的樣條插值算法，需要的插值點(diǎn)數(shù)較多。增加了應(yīng)用操作復(fù)雜度，本文根據(jù)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(jié)合的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(lǐng)域推廣應(yīng)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(dāng)電橋供電電壓為 3 V 時(shí)， 其輸出電壓一般不超過50 mV，要達(dá)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(zhǔn)地測量壓敏電橋所處的環(huán)境溫度，提高補(bǔ)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(fù)合芯體方案還需提取壓敏芯體的溫度系數(shù)[10]，運(yùn)更簡單遙壓敏電橋由精密基準(zhǔn)源供電，其輸出通過差分放大電路，進(jìn)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(shù)為 20 位。當(dāng)基準(zhǔn)電壓為3V時(shí)。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(diào)也同樣經(jīng)過電橋，差分電路進(jìn)入 24 位 A/D， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出至單片機(jī)，單片機(jī)將放大后的電壓除以放大倍數(shù)得到兩個(gè)電橋的原始電壓，單片機(jī)執(zhí)行采集任務(wù)，標(biāo)定程序和補(bǔ)償算法，將最終轉(zhuǎn)換的結(jié)果輸出至上位機(jī)遙。 2 芯體原始數(shù)據(jù)采集 將 2.5 MPa 壓力傳感器放入高精度溫箱中。設(shè)定好溫度點(diǎn)，使用高精度壓力計(jì)進(jìn)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(shù)據(jù)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(xiàn)較好的線性，可以用多次項(xiàng)擬合得到很高的精度，且運(yùn)算量不大，能節(jié)約單片機(jī)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(yīng)根據(jù)靈敏度隨溫度變化的曲線來選擇合適的擬合方式。 3 補(bǔ)償算法 設(shè)恒定的溫度 Tj，給傳感器施加壓力 Pi，讀取相應(yīng)的壓力芯體的輸出值 Vi，i=1，2，N，即在 Tj 共有 N 組讀數(shù)咱，P1，V1，P2，V2，PN，VN，在此N=6，即 6 個(gè)壓力加載值。 用最小二乘法擬合出溫度 Tj 下的多項(xiàng)式校準(zhǔn)曲線。 根據(jù)表 1 的數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合算法計(jì)算出不同溫度下多項(xiàng)式系數(shù)，見表 2，將溫度電橋電壓與系數(shù)繪制成曲線如圖 3 所示。
表 2 不同溫度下的擬合系數(shù)
圖 3 溫度電橋電壓與系數(shù)的關(guān)系 從上圖可以看出。溫度電橋與各項(xiàng)系數(shù)線性度很差，若采用最小二乘多項(xiàng)式擬合，當(dāng)項(xiàng)數(shù)較小時(shí)會帶來較大的誤差，當(dāng)項(xiàng)數(shù)較多時(shí)會導(dǎo)致單片機(jī)運(yùn)算量大大增加，鑒于此，對溫度電橋電壓與各項(xiàng)系數(shù)關(guān)系采用三次插值算法進(jìn)行曲線擬合，三次樣條插值不僅在節(jié)點(diǎn)處連續(xù)，其一階導(dǎo)數(shù)與二階導(dǎo)數(shù)也具有連續(xù)性，在工程上應(yīng)用廣泛[11] 每一個(gè)多項(xiàng)式系數(shù) C0~C3 由 6 個(gè)三次多項(xiàng)式組成袁具體形式如下。
單片機(jī)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(diǎn)各項(xiàng)系數(shù)，通過各項(xiàng)系數(shù)和采集到的壓力電橋電壓，進(jìn)行最小二乘曲線擬合求得壓力值。 4 試驗(yàn)驗(yàn) 將算法和原始數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)，單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，直接得到壓力值。為驗(yàn)證算法的有效性，再次將壓力傳感器放入高精度溫箱中，設(shè)定好溫度點(diǎn)，使用高精度壓力計(jì)進(jìn)行加載，不同溫度下和加載壓力下，單片機(jī)的輸出壓力見表 3，各測量點(diǎn)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(jī)經(jīng)過溫度補(bǔ)償后能準(zhǔn)確地輸出被測壓力值。經(jīng)過溫度補(bǔ)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(nèi)傳感器測量誤差均在依0.04%FS 以內(nèi)。 5 結(jié)語 本文采用基于單片機(jī)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(xiàn)較好的線性，采用最小二乘擬合算法，能減小運(yùn)算量，在不同溫度下，多項(xiàng)式系數(shù)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(jié)合運(yùn)用，經(jīng)過溫度補(bǔ)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(nèi)傳感器測量誤差均在依0.04%FS 以內(nèi)，電路和算法簡單易行袁操作方便。 參考文獻(xiàn)院 |
