零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償方法在壓力傳感器中的使用

吉世成

摘 要：目前各行業(yè)應(yīng)用的多數(shù)壓力變送器是利用壓阻式擴(kuò)散硅壓力傳感器作為信號(hào)的傳送環(huán)節(jié)。但由于技術(shù)等多方面限制的原因，壓阻式壓力傳感器易受現(xiàn)場溫度變化的影響，從而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。文章針對(duì)此問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：壓力變送器；零點(diǎn)漂移；補(bǔ)償

變送器作為重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化儀表被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的傳送與檢測(cè)過程。從目前各個(gè)國家的研究情況及市場需求來看，壓力傳感器的發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）著重研發(fā)適用于高溫作業(yè)的壓力傳感器：這類傳感器以新型半導(dǎo)體材料為膜片的壓阻式壓力傳感器為代表；（2）以微機(jī)械加工為特點(diǎn)的壓力傳感器得以發(fā)展：這一類壓力傳感器有著較高的線性度，通常制作成微型、甚至是超微型傳感器并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的器官數(shù)據(jù)采集中；（3）以熱零點(diǎn)漂移為代表的補(bǔ)償問題受到關(guān)注：在傳感器的應(yīng)用過程中，一直存在傳感器的線性度等受到溫度影響而發(fā)生漂移的問題。未來的傳感器發(fā)展的趨勢(shì)必定是朝著“五化”前進(jìn)，即小型化、集成化、智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。

1 工作特性及其零點(diǎn)漂移

1.1 靜態(tài)特性指標(biāo)

壓力傳感器主要有以下幾種靜態(tài)性能指標(biāo)：（1）靜態(tài)靈敏度。傳感器被測(cè)量的單位變化量引起的輸出變化量稱為靜態(tài)靈敏度，是重要的性能指標(biāo)。它可根據(jù)傳感器的測(cè)量范圍、抗干擾能力等進(jìn)行選擇：特別是對(duì)傳感器的敏感元件，其靈敏度的選擇尤為關(guān)鍵；（2）線性度。理論上來說，傳感器的靜態(tài)特性是一條直線。但實(shí)際上，由于種種原因傳感器的實(shí)測(cè)輸入/輸出關(guān)系并不是一條直線。因此傳感器實(shí)際的靜態(tài)特性的校準(zhǔn)特性曲線與某一參考直線不吻合程度的最大值就是線性度；（3）零點(diǎn)漂移。當(dāng)傳感器的輸入和環(huán)境溫度不變時(shí)，輸出量隨時(shí)間變化的現(xiàn)象就是漂移。它是由于傳感器內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)性能不穩(wěn)定，或內(nèi)部溫度變化引起的，是反映傳感器穩(wěn)定性的指標(biāo)。

1.2 壓阻式壓力傳感器的工作原理分析

利用壓阻式變換原理可以制成壓敏電阻。壓敏電阻可以感受物體受力，產(chǎn)生的應(yīng)變力讓壓敏電阻的阻值發(fā)生變化。通過電橋進(jìn)一步將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或者電流的變化。利用壓阻式變換原理制成的傳感器即為壓阻式傳感器。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)：當(dāng)固體受到作用力后其電阻率會(huì)發(fā)生變化。這一現(xiàn)象稱為固體的壓阻效應(yīng)。用集成電路工藝制成擴(kuò)散型壓敏電阻。擴(kuò)散型硅壓力傳感器運(yùn)用的正是這種效應(yīng)，在半導(dǎo)體材料中的應(yīng)變系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬片的應(yīng)變系數(shù)，而且其應(yīng)變系數(shù)的變化主要是由電阻率的相對(duì)變化引起的。壓阻式壓力傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是：壓阻系數(shù)很高，分辨率較高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但其最大缺點(diǎn)就是壓阻效應(yīng)的溫度系數(shù)大，存在較大的溫度誤差。

1.3 壓阻式壓力傳感器的熱零點(diǎn)漂移問題的研究

1.3.1 壓阻式壓力傳感器零點(diǎn)漂移的表示

由于壓敏電阻制造工藝的不一致性，因此溫度零點(diǎn)漂移系數(shù)不是一個(gè)定值。它在不同的溫度區(qū)間有不同的值。通常也可以規(guī)定為某個(gè)溫度范圍內(nèi)零點(diǎn)輸出占滿量程輸出的比例（±百分?jǐn)?shù)）或最大溫度零點(diǎn)系數(shù)（即零點(diǎn)輸出溫度變化的最大斜率）。一般該系數(shù)取值不能超過傳感器精度值。

1.3.2 零點(diǎn)熱漂移產(chǎn)生原因的半導(dǎo)體理論分析

只有當(dāng)電阻的摻雜濃度和阻值一致時(shí)才能使電橋的零點(diǎn)輸出電壓小，零點(diǎn)熱漂移也小。這對(duì)提高傳感器的性能十分有利。但是擴(kuò)散時(shí)摻雜分布不易做到均勻，因此要求壓敏電阻條越接近越好，越短越好。

1.3.3 零點(diǎn)熱漂移產(chǎn)生原因的電路分析

理想的情況下，組成惠斯通電橋的四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值應(yīng)該是相等的。零點(diǎn)溫度漂移的產(chǎn)生是由于擴(kuò)散電阻的阻值隨溫度變化引起的。在一定的溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度的增加而增加，即擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)R為正值。

2 熱零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償技術(shù)

從整體上來分，壓力傳感器的零點(diǎn)漂移補(bǔ)償可以分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩大方向。

2.1 硬件零點(diǎn)補(bǔ)償方法

對(duì)壓力傳感器而言，硬件補(bǔ)償方法有在橋臂上串、并聯(lián)恰當(dāng)恒定電阻法，橋臂熱敏電阻補(bǔ)償法，橋外串、并聯(lián)熱敏電阻補(bǔ)償法，雙電橋補(bǔ)償技術(shù)、三極管補(bǔ)償技術(shù)等。

2.2 軟件補(bǔ)償零點(diǎn)漂移方法

在信號(hào)采集過程中，在觸發(fā)信號(hào)未發(fā)生到觸發(fā)采集以及在采集結(jié)束后的這些時(shí)間段里，輸入的信號(hào)為零，輸出的信號(hào)不為零。這種采集到的輸出數(shù)據(jù)以隨機(jī)噪聲的形式存在，對(duì)于數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理是沒有意義的。我們定義這段時(shí)間里采集到的信號(hào)值稱之為零點(diǎn)漂移。所采取的軟件方法有：多項(xiàng)式擬合規(guī)范化法。由于在實(shí)際測(cè)量中，壓力傳感器所測(cè)量的溫度、壓力等物理量不會(huì)與輸出值是嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此其函數(shù)關(guān)系常常是多項(xiàng)式形式。多項(xiàng)式可用于非線性信號(hào)的擬合，關(guān)鍵在于求解其各項(xiàng)系數(shù)；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。基本原理：通常零點(diǎn)溫度補(bǔ)償軟件算法中公式法較復(fù)雜，擬合精度常會(huì)受到限制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有使用的樣本數(shù)少、算法簡單、具有任意函數(shù)逼近能力、應(yīng)用前景良好。此外軟件法還包括查表法、插值法等。還有一些廠家從傳感器本身的特點(diǎn)出發(fā)，采用特殊技術(shù)，如改變摻雜濃度等，或者采用自校準(zhǔn)技術(shù)來解決零點(diǎn)漂移的問題。