克服傳統(tǒng)的通過(guò)硬件電路來(lái)對(duì)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�，論述如何利用軟件進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)姆椒�，詳�?xì)描述高精度溫度補(bǔ)償?shù)能浖惴ㄔ恚?為實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件進(jìn)行溫度補(bǔ)償提供了理論依據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(xiàn)性以及使用時(shí)外界測(cè)量條件的影響，大多數(shù)壓力傳感器在輸出時(shí)都具有非線(xiàn)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(shí)，希望所采用的算法簡(jiǎn)單高效，避免了BP網(wǎng)絡(luò)等溫度補(bǔ)償算法復(fù)雜耗時(shí)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(gè)或兩個(gè)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(guò)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(wèn)題，不利于工程的實(shí)際應(yīng)用。因此，本文介紹了BE4自動(dòng)檢測(cè)和高精度溫度誤差補(bǔ)償實(shí)時(shí)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(cè)量系統(tǒng)中，為了解決傳感器溫度誤差補(bǔ)償問(wèn)題，需要測(cè)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(guò)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(hào)(記為)傳輸?shù)叫酒瑱C(jī)暫存;然后將傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，通過(guò)A/D采樣電路采集到單片機(jī);最后啟動(dòng)溫度誤差補(bǔ)償程序，通過(guò)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(xiàn)性溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型

在補(bǔ)償溫度誤差時(shí)，需要事先在給定的n個(gè)溫度值上測(cè)量溫度傳感器輸出的每個(gè)溫度值所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，然后在每個(gè)溫度點(diǎn)將傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大電路放大后再測(cè)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(cè)量。制作表格并存入單片機(jī)存儲(chǔ)器，然后建立溫度傳感器輸出的溫度值所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)和溫度漂移電壓信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，其特性曲線(xiàn)Uo=F (Ut)如圖3所示。我們可以將圖3所示的曲線(xiàn)分成幾段，將相鄰兩點(diǎn)之間的曲線(xiàn)近似視為一條直線(xiàn)，這樣就可以通過(guò)線(xiàn)性方法得到溫度傳感器輸出的某一溫度值所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)所對(duì)應(yīng)的溫度漂移電壓，這就是線(xiàn)性插值法。假設(shè)被測(cè)溫度傳感器輸出的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)為其中一個(gè)值，則對(duì)應(yīng)的溫度漂移電壓為其中一個(gè)對(duì)應(yīng)值。設(shè)溫度傳感器測(cè)量溫度輸出值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)為，則由式(2)可得對(duì)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(guò)測(cè)得的溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)得到對(duì)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(xiàn)

3.2 非線(xiàn)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(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)和溫度漂移電壓信號(hào)的特性曲線(xiàn)變化較大，則采用線(xiàn)性插值方法會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，可以采用二次曲線(xiàn)插補(bǔ)法，如圖4所示。拋物線(xiàn)是由曲線(xiàn)上的三個(gè)點(diǎn)K組成的，但一元二次拋物線(xiàn)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(jiàn)：可以利用3個(gè)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(duì)應(yīng)的的值。以上便是對(duì)傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，用這2個(gè)模型便可進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。

圖4二次曲線(xiàn)插值方法

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

線(xiàn)性溫度補(bǔ)償和非線(xiàn)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€(gè)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(guò)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(shí)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(shí)更新。

5 .測(cè)試

表1給出了換能器在20℃和80℃時(shí)零位輸出的變化情況。由表1可以看出，經(jīng)過(guò)軟件溫度補(bǔ)償后的零比特輸出比沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(cè)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(mǎn)足壓力傳感器在高精度場(chǎng)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(jiǎn)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(duì)于一般用戶(hù)無(wú)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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