擴散硅數字化壓力變送器補償技術

摘要:詳細介紹了護散硅數字化壓力變送器的特點和現狀，提出了對擴散硅壓力變送器的數字補償方案和補償算法及實際測試結果。該技術提高了產品的整體性能，很好的解決了變送器零點濕漂和靈敏度溫漂的問題，并通過批量化的生產證實這種技術的正確性。
一、概述
　　本文的介紹了擴散硅壓力變送器的數字化補償技術，目的在于提高擴散硅壓力變送器的綜合性能，降低由于溫度等外界環境因素對擴散硅壓力變送器的影響，使壓力變送器綜合性指標能達到最佳。
　　擴散硅壓力傳感器以其高精度、高穩定性、重復性好、量程范圍寬、兼容性好、靈敏度高、線性好、無滯后、反應快等諸多優點而廣泛應用于工業控制，流量測量，醫用儀器，空氣動力測量，液壓、氣動設備等領域。但由于擴散硅壓力傳感器受溫度變化影響使其性能受到一些影響。目前國、內外對傳感器的補償方法采用模擬電路補償和在智能芯片或微機中以軟件的方法實現補償。其中模擬補償的方法有:在橋臂上串并恒定的電阻法:橋臂熱敏電阻法:橋外上串、并熱敏的電阻法:雙電橋補償技術等。使用模擬電路進行校正大都存在電路復雜、調試困難、精度低、通用性差、效率低等缺點。軟件補償是將微處理器與壓力傳感器結合起來，充分利用豐富的軟件功能、結合一定的補償算法對傳感器溫度的附加誤差進行修正。軟件補償的效果比模擬補償好，達到的精度更高，但硬件成本高，生產工藝相對復雜。本技術采用擴散硅壓力傳感器和新型傳感器調理芯片，消除了外界環境溫度對變送器輸出的影響，解決了模擬補償中精度低、軟件補償成本高、頻響低等缺點。解決了在實際應用中的諸多問題，適用于對精度、成本等有要求較高的場合使用。
二、數字化壓力變送器硬件原理
　　數字化壓力變送器的原理是采用高性能的擴散硅壓力傳感器以及數字化傳感器信號調理芯片組成。以數字化調理芯片PGA309為例，三線制電壓產品，輸出信號0.5-4.5VDC,供電5VDC.變送器的原理如圖1所示。
 
　　PGA309將傳感器輸出的差分信號進行放大和校準。校準和溫度補償產品時采用單線和計算機通信。校準參數和補償參數存儲在外部的EEPROM中。PGA309工作時觸發溫度ADC測量溫度，然后讀取EEPROM中的參數查詢表，依據查詢表中的對應溫度索引的參數計算零點DAC和增益DAC的設置值，進而計算其輸出數值并輸出，接著啟動溫度ADC新一輪的轉換，如此反復循環。
三、變送器補償算法
補償算法采用最佳擬合直線的算法。
1、小二乘法擬合直線補償
　　如果實際校準曲線有N個測試點，對應的輸入輸出數據分別為溫度Ti，零點電壓Ui(i=1，2，...N)。
　　設最小二乘法擬合直線為:
 
　　根據校準曲線上N個測量值,將式(3)和式(4)編制計算程序，很快可得最小二乘方擬合直線的截距a和斜率k。然后再由式(2)求出各殘差δi，其中絕對值最大者即為最小二乘非線性誤差。
2、零基準線性擬合直線補償
　　從校準曲線的最小輸出零點電壓值出發做一-直線，并要求它與校準曲線之間的最大偏差盡可能的小，校準曲線與該直線的最大偏差稱為零基準線性度。
設零基準線性度的擬合直線為:
U=a+kT
　　如果校準曲線上N個測量點，因為擬合直線的起點與校準曲線的起點一致，均為零基準點(T0，U0)，故有:
 
　　將k代入式(5)即可求得。式(8)實際是由零基準點做校準曲線上各均布測試點的各直線的斜率之權重平均斜率。
四、數字化壓力變送器補償效果
　　表1~表3數據展示了使用模擬補償和上面的數字補償技術變送器的測試效果。采用麥克傳感器公司生產的MPM281-100kPaG壓力傳感器和PGA309組成的5個樣本變送器，其壓力輸入Pmin=0，Pmax=700kPa，目標輸出電壓為Vowrmin=0.5V，Vowmax=4.5V。ououtmax采用3個溫度點補償0,20,60℃。
 
　　從表1可看出未補償的傳感器無論零點溫度漂移還是滿度溫度漂移都很大，在80℃時已近達到了2~3%F.S.(參比25℃)。
　　表2顯示了利用模擬電路補償的變送器零點和滿度溫度漂移仍然比較大，在-10℃~+80℃溫度范圍內產品溫度漂移最大達到了1.2%FS.
　　表3采用了本文介紹的數字化補償技術，可看出產品的輸出精度非常高，并且產品輸出溫度漂移相當的低，產品在-10℃~+80℃整個溫度范圍內，溫度漂移達控制在0.1%F.S以內。說明該技術很好的降低了變送器輸出隨溫度漂移的問題。
 
五、總結
　　采用數字電路對擴散硅壓力傳感器進行補償的方法和技術，可以很好的實現了對擴散硅壓力變送器數字化溫度補償，達到了理想的效果。這種技術的核心思想采用了對變送器輸出線性擬合的方法，溫度段間補償系數的計算則采用了線性插值的方法，實現對變送器的補償，從而改善了傳感器和電路元件的溫度漂移，實現了對擴散硅壓阻式壓力變送器的數字化溫度補償。這種補償方法對其它基于橋式原理的傳感器的補償也都具有參考和借鑒意義，在降低產品生產成本、提高產品性能和產品在國際市場競爭力等等都具有非常重要的意義。