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高精度壓力傳感器中溫度補償技術(shù)研究0引言 壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成的壓力傳感器,具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好等特點,廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、汽車電子等領(lǐng)域。然而,硅壓阻薄膜作為其核心,對溫度變化敏感,導(dǎo)致零點溫度漂移,影響傳感器的靈敏度。常用的溫度補償方法主要有兩種:硬件補償法和軟件補償法。但是,傳統(tǒng)的根據(jù)傳感器硬件特性進行補償?shù)姆椒ù嬖谡{(diào)試困難、精度低、通用性差等缺點,沒有工程上的實際應(yīng)用。軟件補償技術(shù)可以很好地解決這些問題,因此越來越受到人們的重視。 1 基于軟件補償?shù)母呔葔毫z測系統(tǒng) 軟件補償是將微處理器與壓力傳感器相結(jié)合,充分利用微處理器豐富的軟件功能,通過一定的補償算法對壓力傳感器溫度引起的誤差進行校正。無論采用哪種軟件補償方法,硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)都是相似的,不同之處在于算法。我們設(shè)計了一個以LPC2478為中央處理器的高精度壓力檢測系統(tǒng),其主頻高達72 Mz,片上flash程序存儲器高達52 k,串口豐富。同時,系統(tǒng)采用了超高采樣精度的A - D,并配置了一塊SDRAM。 2 算法分析與實現(xiàn) 目前,軟件補償方法主要有插值法、曲線曲面擬合法、查表法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。在插值方法_3中,假設(shè)數(shù)據(jù)是正確的,并且需要某種方法來描述數(shù)據(jù)之間發(fā)生的情況。曲線擬合方法試圖找到一條光滑的曲線,它是最好的擬合數(shù)據(jù),但不需要經(jīng)過任何數(shù)據(jù)點。表查找方法是將一系列參數(shù)預(yù)加載到參數(shù)表中, 測量數(shù)據(jù)獲得后,根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)進行處理。表查找占用大量存儲空間,不適合微處理器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,通過樣本訓(xùn)練確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。最大的缺點是網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,訓(xùn)練時間長。本文提出了一種結(jié)合曲線擬合和三樣條插值的補償算法,可以顯著提高補償性能。 2.1 多項式擬合 式(2 ) 可展開為一個關(guān)于系數(shù) 的線性方程組,此方程組有唯一解,即為所求擬合多項式的系數(shù)。 2. 2 三次樣條插值 樣條插值是一種改進的分段插值 ,它在每個相鄰節(jié)點的小區(qū)間構(gòu)造一個樣條函數(shù) , 同時,為了保證節(jié)點處的連續(xù) ,要求在節(jié)點處有二階光滑度 ,即有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù). 三次樣條插值函數(shù)定義 如下 :
從式(4 ) 一(6 ) 可以看 出, 只要求 出 m (k = 0 ,1 , … ,n) ,即可得至s(x)。 2.3 溫度補償模型 壓力傳感器一般是在 n 個標準溫度 t,m 個標準壓力 Pj(j = 1 ,2 ,… ,m ) 下進行標定 ,得到 n ×m 組標定點. 基于標定過程得到的壓力傳感器的實測數(shù)據(jù)對(ti,pj,uij) 通過適當?shù)乃惴ㄇ蟮萌咧暗暮瘮?shù)關(guān)系如下,這里的是指壓力傳感器的輸出電壓。 針對此溫度補償模 型, 給出結(jié)合曲線擬合和三次樣條插值的溫度補償算法步驟 : 1) 固定溫度t1不變,對壓力P和電壓M進行二次曲線擬合,得到兩者關(guān)系曲線:P = f(u ) ; 固定溫度t2不變 ,對壓力 P 和 電壓 u 進行二次曲線擬合 ,得到兩者關(guān)系曲線:p =f (u ) ;依次類推 ,直至固定溫度 t不變 ,得到壓力P 和電壓 的二次曲線 :p =fn (u ) . 二次曲線擬合可通過在 M ATLAB中編程實現(xiàn); 2) 實際測量過程中,將測得的電壓分別代人P = f1(u ) ,P =f2 (u ) , … ,P = fn(u) 中,求 出在 n 個標準溫度下 的壓力值 ; 3) 對上述壓力值和標準溫度進行三次樣條插值,得到壓力 P 和溫度 t 的關(guān) 系曲線 ,三次樣條插值通過 C 語言編程在 A RM 中實現(xiàn) ; 4 ) 將溫度傳感器測得的實時溫度值代人上述曲線 ,即可得到經(jīng)過溫度補償?shù)膲毫χ怠?/span> 2. 4 實驗過程與結(jié)果分析 表 1 給出了壓力標定點 、溫度標定點時傳感器輸出電壓值. 表 1 實驗標定數(shù)據(jù) 根據(jù)前述算法步驟 , 對實驗 數(shù)據(jù)進行 處理. 首先 ,固定溫度不變 ,對 P 和u 進行二次擬合得 : 從擬合結(jié)果可以看出,該實驗實用的傳感器在溫度 固定 的情況下 , 具有良好的線性特性.分別在8.2 ℃ 、4.6℃ 、2 2.3 ℃ 和 36.5 ℃ 四個溫度點進行測試,經(jīng)過溫度補償以后的結(jié)果表2 . 表 2 經(jīng)過溫補的壓力值 該結(jié)果說明經(jīng)過采用曲線擬合和三次樣條插值相結(jié)合的補償方法后, 系統(tǒng)性能得到顯著提升, 同時,可以通過增加壓力和溫度標定點的方法,進一步提高溫補性能。 3 結(jié) 語 本文提出的結(jié)合二次曲線擬合和三次樣條曲線插值 的溫度補償方法 , 可以在標定點較少 的情況下實現(xiàn)較高精度 的溫度補償 ,這樣有效地減少 了傳感器標定時間和工作量. 如果對壓力傳感器 的精度 提出了更高的要求 ,在充分考慮成本 、硬件計算能力和運行速度的前提下 ,可以通過增加標 定點 的方法 提高系統(tǒng)性能 ,這對于解決 高精度壓力傳感器的溫度補償 問題具有一定 的理論意義和工程應(yīng)用價值。 參考文獻: [1 ] 李強 ,梁莉 ,劉楨等 . 具有溫度 補償 功 能的智能壓 力傳感 器系統(tǒng) [J] . 儀器儀表學報,2008 (29 ) :1934 —1938. [2 ] 劉松. 智能壓力檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計 [D ] . 天津 :天津大學 : 電子信息工程學院 ,碩士畢業(yè)論 文 ,2006 :35 —46. [3 ] 王丕濤 ,翟殿棠 ,成 謝峰. 基于三次 B 樣 條插值的壓力傳感器溫度補償 [J] . 信 息技術(shù) 與信息化 ,2007 (3 ) :112 一ll5 . [4 ] 孫志忠 ,袁慰平 ,聞?wù)鸪?. 數(shù)值分析 [M ] . 南京 :東南 大學 出版社 2003 : 16 —2 1. [5 ] JA SO N Palmer.P recise Pressure Sensor Temperature Compensation A lgorithms[D ] : M aster T hesis. New Y ork :State U niversity of New Y ork , 20 0 6 :6 7 —75 . [6 ] 張艷峰 ,嚴 家明.基于最小二乘法的壓力傳感器溫度補償 算法 [J] .計算機測量與控制 ,2007 ,5 (2 ) :1870 —1874 . |