克服傳統(tǒng)的通過硬件電路來對壓力傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，介紹利用單片機(jī)進(jìn)行壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)幕痉椒ǎ撌鋈绾卫密浖M(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ敿?xì)描述高精度溫度補(bǔ)償?shù)能浖惴ㄔ恚?為實(shí)現(xiàn)通過軟件進(jìn)行溫度補(bǔ)償提供了理論依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)測試證明了采用高精度溫度補(bǔ)償算法的傳感器輸出精度有了顯著的提高。

0 引言

壓力傳感器是一種常用的傳感元件。由于其自身的非線性以及使用時外界測量條件的影響，大多數(shù)壓力傳感器在輸出時都具有非線性特性，因此存在諸多因素的誤差。但在這些誤差因素中，溫度的影響最為明顯，因此傳感器的溫度誤差補(bǔ)償就顯得尤為重要。采用硬件補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償是非常復(fù)雜和困難的，而引入軟件實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償是一種更有效的方法。只要溫度誤差補(bǔ)償模型足夠精確，就可以得到理想的結(jié)果。同時，希望所采用的算法簡單高效，避免了BP網(wǎng)絡(luò)等溫度補(bǔ)償算法復(fù)雜耗時的特點(diǎn)。

1. 傳統(tǒng)的硬件補(bǔ)償方法及其缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的硬件溫度誤差補(bǔ)償方案是在惠斯特電橋電路中的一個或兩個橋臂上并聯(lián)熱敏電阻R，如圖1所示。但是，由于熱敏電阻本身的特性，不可能實(shí)現(xiàn)完全的溫度誤差補(bǔ)償。此外，通過硬件電路實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償存在器件固有的不穩(wěn)定性、調(diào)試?yán)щy、通用性差、成本高、精度低等問題，不利于工程的實(shí)際應(yīng)用。因此，本文介紹了BE4自動檢測和高精度溫度誤差補(bǔ)償實(shí)時控制的軟件實(shí)現(xiàn)。

圖1與熱敏電阻溫度誤差補(bǔ)償公式相結(jié)合

2. 溫度補(bǔ)償原理

在單片機(jī)傳感器測量系統(tǒng)中，為了解決傳感器溫度誤差補(bǔ)償問題，需要測量傳感器所在點(diǎn)的溫度，因此需要溫度傳感器。溫度傳感器通常安裝在靠近敏感元件的傳感器上。首先，通過A/D采樣電路采集溫度傳感器，并將相應(yīng)的輸出電壓信號(記為)傳輸?shù)叫酒瑱C(jī)暫存;然后將傳感器輸出信號經(jīng)放大電路放大后，通過A/D采樣電路采集到單片機(jī);最后啟動溫度誤差補(bǔ)償程序，通過查找事先在單片機(jī)中記錄的零溫度漂移電壓，最終輸出電壓為:

3.溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型的建立

3.1線性溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型

在補(bǔ)償溫度誤差時，需要事先在給定的n個溫度值上測量溫度傳感器輸出的每個溫度值所對應(yīng)的電壓信號，然后在每個溫度點(diǎn)將傳感器輸出信號經(jīng)放大電路放大后再測量相應(yīng)的溫度漂移電壓，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性�？梢栽谂囵B(yǎng)箱中進(jìn)行測量。制作表格并存入單片機(jī)存儲器，然后建立溫度傳感器輸出的溫度值所對應(yīng)的電壓信號和溫度漂移電壓信號的數(shù)學(xué)模型，其特性曲線Uo=F (Ut)如圖3所示。我們可以將圖3所示的曲線分成幾段，將相鄰兩點(diǎn)之間的曲線近似視為一條直線，這樣就可以通過線性方法得到溫度傳感器輸出的某一溫度值所對應(yīng)的電壓信號所對應(yīng)的溫度漂移電壓，這就是線性插值法。假設(shè)被測溫度傳感器輸出的溫度值對應(yīng)的電壓信號為其中一個值，則對應(yīng)的溫度漂移電壓為其中一個對應(yīng)值。設(shè)溫度傳感器測量溫度輸出值對應(yīng)的電壓信號為，則由式(2)可得對應(yīng)的溫度漂移電壓:

從式 (2)可以得知 n 取得足夠大就可以獲得良好的精度，這樣單片機(jī)就可以通過測得的溫度對應(yīng)的電壓信號得到對應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓。

圖3溫度傳感器的輸出電壓和溫度漂移電壓特性曲線

3.2 非線性溫度補(bǔ)償數(shù)值模型

如果溫度傳感器輸出溫度值所對應(yīng)的電壓信號和溫度漂移電壓信號的特性曲線變化較大，則采用線性插值方法會產(chǎn)生較大的誤差。因此，可以采用二次曲線插補(bǔ)法，如圖4所示。拋物線是由曲線上的三個點(diǎn)K組成的，但一元二次拋物線方程是A、B、C。該方程需要聯(lián)立方程求、、、、C的值，計(jì)算復(fù)雜，程序復(fù)雜。取下面的方程形式:

將G和代入方程式(3)中得到方程式的另一種形式：

由此可見：可以利用3個已知的點(diǎn)K1，K2 ，K3 求出A ，B， C 的數(shù)值，然后放入單片機(jī)的內(nèi)存中，根據(jù)Ut 的值可以求出相對應(yīng)的的值。以上便是對傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，用這2個模型便可進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。

圖4二次曲線插值方法

4 .溫度補(bǔ)償軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

線性溫度補(bǔ)償和非線性溫度補(bǔ)償軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖5和圖6所示。因?yàn)闇囟仁且粋€連續(xù)的變量，為了提高精度，采集的溫度點(diǎn)越多，精度就越高。采用多位的A/D芯片可以保證一般情況下的需要。結(jié)合單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)過程如圖7所示。本軟件設(shè)計(jì)保證不需要人工設(shè)置，保證及時進(jìn)行溫度變化，并找到相應(yīng)的零溫度漂移電壓，從而保證在電壓值校正后單片機(jī)輸出電壓實(shí)時更新。

5 .測試

表1給出了換能器在20℃和80℃時零位輸出的變化情況。由表1可以看出，經(jīng)過軟件溫度補(bǔ)償后的零比特輸出比沒有經(jīng)過軟件溫度補(bǔ)償?shù)牧惚忍剌敵雒黠@提高。

表2為傳感器在25℃下的測量結(jié)果。由表2可以看出，補(bǔ)償后的精度小于1%。

表1傳感器補(bǔ)償前后零輸出變化

6 總結(jié)

為了滿足壓力傳感器在高精度場合的應(yīng)用要求，本文結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度誤差補(bǔ)償是一種非常簡單有效的方法。該方法可大大降低系統(tǒng)的電路復(fù)雜度和成本，對于一般用戶無需額外操作即可獲得可靠的數(shù)值。它適用于批量傳感器的補(bǔ)償，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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