一種硅壓阻式壓力傳感器溫度補償算法及軟件實現

摘 要： 硅壓阻式壓力傳感器的零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移是影響傳感器性能的主要因素之一，如何能使該類誤差得到有效補償對于提高其性能很有意義。通過對硅壓阻式壓力傳感器建立高階溫度補償模型進行溫度誤差補償是一種有效的方法，并在該模型基礎上給出了擬合系數計算方法，并用Matlab GUI軟件來實現溫度補償系數計算，進而實現傳感器輸出的動態溫補，達到了很好的輸出線性性。實驗結果表明，補償后傳感器輸出的非線性誤差小于0.5% F.S。

關鍵詞： 硅壓阻式壓力傳感器； 溫度補償系數； 溫度補償算法； 溫度補償模型

中圖分類號： TN389?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0018?03

硅壓阻式壓力傳感器利用半導體材料的壓阻效應來進行壓力測量，以其體積小、靈敏度高、工藝成熟等優點，在各行業中得到了廣泛應用[1]。實際工程應用中由于硅材料受溫度的影響，導致零點漂移和靈敏度漂移，因此溫度補償問題是提高傳感器性能的一個關鍵環節。目前壓力傳感器主要有兩種溫度補償方法：硬件補償和軟件補償。硬件補償方法存在調試困難、精度低、成本高、通用性差等缺點，不利于工程實際應用；利用數字信號處理技術的軟件補償能夠克服以上缺點，也逐漸成為研究熱點[2]。

目前軟件補償的方法主要有： 查表法、二元插值法[3]、BP神經網絡法[4?5]、小波神經網絡方法[6]、曲線曲面擬合方法等。查表法需要占用很大內存空間，而神經網絡方法存在網絡不穩定、訓練時間較長的缺點不利于工程應用。在研究各類軟件補償方法的基礎上對壓力傳感器采用建立高階溫度補償模型進行溫度誤差補償，并且在Matlab GUI軟件平臺下實現高階溫度補償系數的計算，通過實驗對該方法進行驗證。

1 高階溫度補償模型的建立

1.1 高階溫度補償建模

壓力傳感器輸出非線性誤差主要是由零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移產生，零點溫度漂移是由于電阻摻雜不同而導致電阻的溫度系數不同，靈敏度溫度漂移主要由于壓阻系數易隨溫度的升高而減少。針對溫度對傳感器輸出影響，采用對零點溫度漂移和靈敏度漂移建立高階補償模型進行統一補償，補償后壓力值[PressT]表示為溫度傳感器電壓輸出[VT]和壓力傳感器電壓輸出[VP]的函數：

對壓力傳感器進行全溫段實驗，計算出擬合系數存放在數字補償電路的E2PROM中。壓力傳感器輸出電壓值[VP]和溫度傳感器輸出電壓值[VT]通過A/D轉換輸出串行信號經過串并轉換電路送到DSP運算電路中，DSP運算電路根據式（2）進行計算。最后補償后結果通過并串轉換電路輸出，從而實現壓力傳感器實時數字溫度補償。

1.3 高階溫度補償系數計算過程

（4）對調整后系數矩陣C重復步驟（2）進行判斷，直至所有系數矩陣中系數值都在范圍內，則調整結束，保存系數矩陣。

擬合系數通過上述方法可以以統一的數據格式進行存放，方便在DSP硬件平臺上實現動態數字溫度補償，在一定程度上可以減少硬件運算量。系數調整過程還需要根據具體情況設定系數范圍，在能夠保證傳感器輸出線性性的情況下，系數范圍越小在硬件上越容易實現。

2 軟件設計與實現

由上述分析可知，數字補償電路對傳感器進行動態溫度補償時，必須先求出高階溫度補償擬合系數。采用Matlab 2012a作為軟件平臺，利用Matlab圖形用戶界面 （GUI）編程實現壓力傳感器高階溫度補償系數計算。GUI是Matlab為用戶提供的Windows圖形界面設計方法，使用戶能夠在利用其強大數值計算功能的同時設計出友好的圖形界面。

整個程序框圖如圖2所示：包括數據讀取模塊、標準擬合模塊、系數調整模塊和數據存儲模塊。數據讀取模塊功能是讀取傳感器全溫段實驗數據進行預處理，標準擬合模塊根據高階溫度補償模型和靜態實驗數據計算系數矩陣，系數調整模塊是對高階溫度模型系數進行系數調整，數據存儲模塊把系數值以一定格式保存方便寫入數字補償電路的E2PROM。

3 實驗結果與誤差分析

4 結 語

采用高階溫度補償方法對硅壓阻式壓力傳感器的零點漂移和靈敏度漂移進行統一補償。由實驗數據可知，這種方法可以對硅壓阻式壓力傳感器溫度補償效果明顯，能夠很好的提高壓力傳感器的輸出線性性，通過硬件可以實現傳感器實時數字溫度補償，具有一定的工程應用價值。但是這種方法也存在某些不足：對于實驗數據離散量比較大的情況下，高階溫度補償模型會對個別數據點補償效果不理想。針對這個問題可以采用插值法和引入權函數方法結合起來進行進一步改進。

參考文獻

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