０ 引言
衛(wèi)星用壓力傳感器的作用是向衛(wèi)星遙測(cè)系統(tǒng)提供推進(jìn)劑貯箱及氣瓶的壓力值，用于剩余推進(jìn)劑量計(jì)算、預(yù)測(cè)衛(wèi)星在軌壽命、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)以及協(xié)助系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷與定位等。 隨著空間飛行器推進(jìn)系統(tǒng)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，對(duì)壓力傳感器的精度要求越來(lái)越高，尤其是在衛(wèi)星壽命期內(nèi)，精確地估算推進(jìn)劑剩余量至關(guān)重要，迫切需要研制高精度壓力傳感器。
硅壓阻式壓力傳感器具有較好的介質(zhì)相容性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度較高，在空間飛行器上應(yīng)用廣泛。 其芯片是半導(dǎo)體產(chǎn)品，輸出易受壓力和溫度的交叉敏感影響，嚴(yán)重影響傳感器的線性度，因此要研制高精度壓力傳感器，必須對(duì)傳感器的輸出特性進(jìn)行補(bǔ)償校正［１］ 。本文在分析比較各種誤差校正技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取曲面擬合方法，通過(guò)在傳感器內(nèi)部嵌入高精度溫度傳感器，使傳感器具備壓力、溫度一體化測(cè)量和標(biāo)定的功能，利用最小二乘法完成對(duì)壓力傳感器的標(biāo)定補(bǔ)償工作，將壓力傳感器精度提高到0.0418％。
１ 誤差校正技術(shù)
壓力傳感器的誤差校正技術(shù)有傳統(tǒng)的誤差校正技術(shù)和數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)兩種。 傳統(tǒng)方法是采用模擬方式對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。 難度比較大，補(bǔ)償精度不高，且受限于補(bǔ)償元件的非線性誤差，補(bǔ)償元件受溫度漂移的影響，無(wú)法進(jìn)行逐點(diǎn)補(bǔ)償，因此精度不高、線路復(fù)雜［２］ 。 現(xiàn)代信號(hào)調(diào)理技術(shù)是采用數(shù)字式調(diào)整模擬系統(tǒng)，較常用的有分立補(bǔ)償算法和數(shù)據(jù)融合技術(shù)。 分立補(bǔ)償算法特點(diǎn)是試驗(yàn)及標(biāo)定比較簡(jiǎn)單，但對(duì)精度指標(biāo)的貢獻(xiàn)有限［３］ 。
數(shù)據(jù)融合是一項(xiàng)多數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)，最大優(yōu)勢(shì)在于能充分綜合有用數(shù)據(jù)，提高目標(biāo)參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性［４］ 。 數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要有曲面擬合法、二元插值法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。 二元插值法的優(yōu)點(diǎn)是速度快，精度高，缺點(diǎn)是需要預(yù)先在 ＥＰＲＯＭ 中輸入對(duì)照數(shù)據(jù)表，不但工作量大，而且易出錯(cuò)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合出的數(shù)據(jù)精度很高，是目前研究的熱點(diǎn)之一，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法需要數(shù)據(jù)量大，編程復(fù)雜，一般的微控制器難以勝任，且具有網(wǎng)絡(luò)不太穩(wěn)定，訓(xùn)練周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。
曲面擬合法擬合出的數(shù)據(jù)精度較高，是目前較成熟的補(bǔ)償方法。 如美國(guó) Ｋｕｌｉｔｅ 公司采用曲面擬合方法補(bǔ)償?shù)膲鹤枋綁毫鞲衅鞯牧泓c(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移為 ３×１０－４℃ ；南京航空航天大學(xué)研制的一款適用于小型飛行囂和無(wú)人機(jī)的高精度氣壓式高度表，通過(guò)分片曲面擬合的方法，將壓力傳感器的實(shí)際輸出精度提高到0.01％［５］ 。 通過(guò)建立試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，針對(duì)衛(wèi)星用壓力傳感器進(jìn)行分析、測(cè)試及評(píng)估，選用曲面擬合方法對(duì)壓阻式壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，是合適的補(bǔ)償方法。
２ 硬件組成
壓力傳感器的組成原理。 采用恒壓源供電，供電電源經(jīng)過(guò)直流穩(wěn)壓電路進(jìn)行二次穩(wěn)壓，供給壓力敏感芯體。 壓力敏感芯體為力敏電阻組成的惠斯通電橋，電橋的輸出信號(hào)經(jīng)壓力信號(hào)放大電路進(jìn)行放大調(diào)理。 將測(cè)溫元件作為電橋的一個(gè)橋臂，其余 ３ 個(gè)橋臂阻值相同，環(huán)境溫度變化時(shí)，橋路的差壓輸出信號(hào)發(fā)生變化，變化的信號(hào)經(jīng)過(guò)儀用放大器進(jìn)行放大。
根據(jù)產(chǎn)品在衛(wèi)星上的工作環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析，測(cè)溫元件選擇 ＰＴ１０００ 電阻，將鉑電阻安裝在充油基座上，以保證檢測(cè)溫度與壓力敏感芯體實(shí)際溫度一致，如圖 ２ 所示。
圖 ２ 鉑電阻安裝示意圖
３ 軟件補(bǔ)償
傳感器測(cè)量的壓力是關(guān)于壓力傳感器輸出電壓 Ｕ和溫度傳感器輸出信號(hào)電壓 Ｕｔ 的二元函數(shù)，因此可以用二維回歸方程來(lái)描述。 即：ｐ ＝ ｆ（Ｕ，Ｕｔ）。 通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行二維校準(zhǔn)試驗(yàn)，根據(jù)校準(zhǔn)的輸入、輸出值由最小二乘法確定方程的常系數(shù)，得到二次曲面擬合方程。 采用的補(bǔ)償方法是利用標(biāo)定時(shí)采集的壓力、溫度數(shù)據(jù)擬合壓力傳感器的實(shí)際輸出電壓與其所感受的壓力和溫度的二元函數(shù) Ｕ ＝ ｇ（ｐ，Ｔ），該函數(shù)按照泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行展開(kāi)，一般來(lái)說(shuō)，展開(kāi)到二次冪全項(xiàng)擬合精度完全可以滿足 0.05％的要求：
式中：Ｋｉｊ為擬合系數(shù)；Ｐ 為壓力標(biāo)定值；Ｔ 為溫度測(cè)量值。
４ 測(cè)試數(shù)據(jù)
通過(guò)高精度壓力傳感器測(cè)試標(biāo)定平臺(tái)，對(duì)壓力傳感器 ０ ～ ０．１ ＭＰａ 量程下進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試。 溫度標(biāo)定點(diǎn)�。�、０，５、１５、２０、２５、３０、４０、５０ ℃ ，壓力標(biāo)定點(diǎn)取 ０、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０ ｋＰａ。 標(biāo)定中待溫度和壓力穩(wěn)定后依次采集傳感器在額定工作電壓下的壓力和溫度輸出電壓。
４.１ 傳統(tǒng)的最小二乘法
首先根據(jù) ＱＪ２８Ａ－９８《壓力傳感器靜態(tài)不確定度計(jì)算方法》 計(jì)算出擬合直線方程為： Ｕ ＝ ０．２２０ ７２３ ＋４．６５４ ８３１ｐ，按該直線方程對(duì)傳感器進(jìn)行驗(yàn)證，所得誤差如表 １ 所示，其中最大誤差為０．５１４ １ ｋＰａ，相對(duì)誤差為０．５１４ １％。
４.２ 整體曲面擬合法
利用上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全溫區(qū)內(nèi)的整體曲面擬合處理，驗(yàn)證誤差結(jié)果如表 ２ 所示。 由表 ２ 可知，采用整體曲面方程擬合后，傳感器全溫區(qū)壓力測(cè)量的絕對(duì)誤差最大值為０．１１１ １ ｋＰａ，相對(duì)誤差為 ０．１１％。
４.３ 分片曲面擬合方法
分別將原始標(biāo)定數(shù)據(jù)劃分為不同溫區(qū)，分片進(jìn)行曲面擬合。 根據(jù)各擬合方程分別計(jì)算標(biāo)定點(diǎn)的相對(duì)誤差，尋找相對(duì)誤差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的擬合方程。 經(jīng)多次擬合計(jì)算確定分片方式，按溫度將全溫區(qū)分為 ３ 片：［ －５ ～ １５ ℃ ］、［２０ ～ ３０ ℃ ］、［４０ ～ ５０ ℃ ］。 其擬合誤差如表 ３ 所示。 由表 ３ 可以看出，分片擬合后，傳感器全溫區(qū)壓力測(cè)量的絕對(duì)誤差最大值為０．０４１ ８ ｋＰａ，相對(duì)誤差為０．０４１ ８％，遠(yuǎn)小于整體曲面擬合誤差 ０．１１％和直線擬合誤差０．５１４ １％，壓力測(cè)量精度有明顯改善。
表 １ 傳統(tǒng)的線性擬合誤差
表 ２ 整體擬合驗(yàn)證誤差
表 ３ 分片擬合誤差
５ 結(jié)論
本文針對(duì)衛(wèi)星用壓力傳感器對(duì)高精度的需求，運(yùn)用曲面擬合對(duì)傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，有效的提高了壓力傳感器的測(cè)量精度。 實(shí)驗(yàn)表明：曲面擬合標(biāo)定方法可以很好地解決壓力傳感器的數(shù)據(jù)融合問(wèn)題，將壓力傳感器輸出精度提高到 ０．０４１ ８％。
班寧產(chǎn)品匯總
