簡(jiǎn)述壓力傳感器零點(diǎn)漂移的解決方法

于娟

摘要：壓力變送器因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用普遍。其作為檢測(cè)傳送裝置，無論精確度，還是靈敏度都非常高，而且穩(wěn)定性好，線性度優(yōu)良，價(jià)格低，應(yīng)用領(lǐng)域廣。文章從多個(gè)方面論述壓力傳感器工作特性和零點(diǎn)漂移情況，深入探討壓力傳感器零點(diǎn)漂移具體解決方法。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器;零點(diǎn)漂移;補(bǔ)償方法

前言：

現(xiàn)階段，研發(fā)壓力變送器時(shí)，信號(hào)傳送多通過壓阻式擴(kuò)散硅壓力傳感器實(shí)現(xiàn)。由于技術(shù)方面的桎梏，外部溫度變化會(huì)對(duì)壓阻式壓力傳感器產(chǎn)生影響，以至于發(fā)生零點(diǎn)漂移情況。傳感器生產(chǎn)過程中，這種情況很難規(guī)避，因而，需要采用相關(guān)技術(shù)手段，研究壓力傳感器零點(diǎn)漂移情況，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

1壓力傳感器工作特性和零點(diǎn)漂移

壓力傳感器不僅能夠感受壓力信號(hào)，還能夠依據(jù)特定規(guī)律，轉(zhuǎn)化壓力信號(hào)，使其以輸出電信號(hào)器件或裝置形式存在。它的主要構(gòu)成元素是壓力敏感元件和信號(hào)處理單元。參照測(cè)試壓力類型，能夠把壓力傳感器細(xì)分為表壓傳感器、差壓傳感器、絕壓傳感器三類。其中，壓阻式壓力傳感器工作原理為在基體材料商吸附金屬電阻應(yīng)變片，機(jī)械形變會(huì)對(duì)應(yīng)變電阻產(chǎn)生影響，使電阻值發(fā)生變化，發(fā)生電阻應(yīng)變效應(yīng)。

1.1壓阻式壓力傳感器靜態(tài)特性

無論靜態(tài)靈敏度、線性度，還是零點(diǎn)漂移都屬于壓力傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)。靜態(tài)靈敏度。通常指經(jīng)測(cè)量后的靜態(tài)靈敏度傳感器，由單位變化量引起的輸出變化量。該性能指標(biāo)非常關(guān)鍵。選擇這一指標(biāo)時(shí)，不僅要對(duì)傳感器測(cè)量范圍進(jìn)行綜合考量，還要對(duì)抗干擾能力進(jìn)行兼顧。傳感器內(nèi)部環(huán)境特殊，敏感元件的選擇切忌盲目，需注重靈敏度情況。其二，線性度。從理論層面考量，傳感器靜態(tài)特性呈直線，但受內(nèi)外部各類因素影響，其實(shí)測(cè)輸入、輸出關(guān)系并非如此。線性度通常被認(rèn)為是當(dāng)校準(zhǔn)特性曲線與某一參考直線不吻合情況下的最大值。零點(diǎn)漂移。當(dāng)傳感器輸入、環(huán)境溫度處于不變狀態(tài)時(shí)，時(shí)間因素會(huì)對(duì)輸出量產(chǎn)生影響，使其發(fā)生變化^[1]。零點(diǎn)漂移發(fā)生原因是傳感器內(nèi)部溫度變化或者各環(huán)節(jié)性能缺乏穩(wěn)定性。其常被作為重要指標(biāo)，用于判斷傳感器穩(wěn)定性是否達(dá)標(biāo)。

1.2壓阻式壓力傳感器工作原理

采用壓阻式變換原理制作壓敏電阻，其能夠直觀感受到物體處于受力狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變情況。該情況下，壓敏電阻值的重要影響指標(biāo)是應(yīng)變力，一旦電阻值處于變化狀態(tài)，可通過電橋，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流等形式。制作壓阻式傳感器時(shí)，會(huì)用到壓阻式變換原理，如圖1所示。該背景下，作用力對(duì)固體產(chǎn)生影響，繼而干擾電阻率，發(fā)生固體壓阻效應(yīng)。對(duì)于擴(kuò)散型壓敏電阻來說，其制作過程主要依靠集成電路工藝。半導(dǎo)體材料和金屬片相比，應(yīng)變系數(shù)稍大，二者之間的變化存在關(guān)聯(lián)性。壓力傳感器的優(yōu)勢(shì)在于具備很高的分辨率、壓阻系數(shù)，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。但其也存在明顯缺陷，諸如，無論溫度系數(shù)，還是誤差，都比較大。

1.3壓阻式壓力傳感器零點(diǎn)漂移問題

事實(shí)上，壓敏電阻制造工藝存在差別，溫度零點(diǎn)漂移系數(shù)也不是固定的。溫度范圍不同，其數(shù)值存在差異。壓阻式壓力傳感器零點(diǎn)漂移由某一溫度范圍內(nèi)零點(diǎn)數(shù)據(jù)占滿量程輸出比例或最大溫度零點(diǎn)系數(shù)表示。通常情況下，該系數(shù)取值在傳感器精度值范圍內(nèi)。如果電阻摻雜濃度與阻值等同，電橋零點(diǎn)輸出電壓和零點(diǎn)熱漂移都不會(huì)很大，而傳感器性能則比較強(qiáng)。實(shí)際操作中，擴(kuò)散狀態(tài)下，摻雜分布不夠均勻，壓敏電阻條要力求短、近。之所以會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移，是因?yàn)閿U(kuò)散電阻阻值受溫度影響，特定限值內(nèi)，溫度升高時(shí)，電阻值也會(huì)隨之增加。故而，擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)R為正值^[2]。

2壓力傳感器零點(diǎn)漂移補(bǔ)償技術(shù)

壓力傳感器零點(diǎn)漂移補(bǔ)償技術(shù)包括軟、硬件兩個(gè)方面的內(nèi)容。其中，尤以軟件補(bǔ)償零點(diǎn)漂移法應(yīng)用最為普遍，實(shí)施效果好，很大程度上規(guī)避了實(shí)操過程中的各類問題。

硬件零點(diǎn)補(bǔ)償法。在壓力傳感器中，常用的硬件補(bǔ)償方法比較多。諸如，在橋臂上串、并聯(lián)恰當(dāng)恒定電阻法、雙電橋補(bǔ)償技術(shù)、三極管補(bǔ)償技術(shù)等。以三極管補(bǔ)償技術(shù)為例，當(dāng)溫度升高時(shí)，基極-發(fā)射極之間電壓減小。三極管電阻特性決定了溫度會(huì)對(duì)電橋工作電壓產(chǎn)生影響，當(dāng)溫度比較高時(shí)，電橋工作電壓也會(huì)隨之升高，從而對(duì)因溫度升高有效壓阻系數(shù)減小導(dǎo)致的電橋輸出情況加以補(bǔ)償，簡(jiǎn)言之，對(duì)負(fù)靈敏度溫度系數(shù)進(jìn)行有效補(bǔ)償。

軟件補(bǔ)償零點(diǎn)漂移法。采集信號(hào)時(shí)，在觸發(fā)采集期間和采集工作完成之后，沒有發(fā)生觸發(fā)信號(hào)，輸入、輸出信號(hào)不同，前者為零，后者通常不會(huì)出現(xiàn)這種情況。采用該種方法，對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其存在形式為隨機(jī)噪聲方式，無論數(shù)據(jù)計(jì)算，還是處理，都毫無機(jī)制可言。故而，這一時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，集中采集的信號(hào)數(shù)值都可稱為零點(diǎn)漂移。采用專業(yè)技術(shù)手段，科學(xué)區(qū)分這一零點(diǎn)漂移補(bǔ)償方法，其有多項(xiàng)式擬規(guī)范化法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法之分。采用多項(xiàng)擬合規(guī)范化法時(shí)，開展具體測(cè)量工作過程中，無論溫度，還是壓力等經(jīng)由壓力傳感器測(cè)量的指標(biāo)，與輸出值都非線性關(guān)系，多項(xiàng)式以函數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)。非線性信號(hào)擬合狀態(tài)下，多項(xiàng)式具備相對(duì)比較好的應(yīng)用效果，它的關(guān)鍵點(diǎn)是求解各項(xiàng)系數(shù)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用過程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，受零點(diǎn)溫度補(bǔ)償軟件算法影響，各類公式相對(duì)比較復(fù)雜，各類內(nèi)外部因素也會(huì)對(duì)擬合精度產(chǎn)生影響。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法，樣本數(shù)量比較少，計(jì)算流程相對(duì)比較簡(jiǎn)潔，具備任意函數(shù)逼近性能，極具應(yīng)用發(fā)展前景^[3]。除此之外，查表法、插值法等都屬于軟件補(bǔ)償零點(diǎn)漂移法范疇，部分廠家會(huì)基于傳感器特性，通過對(duì)摻雜濃度進(jìn)行更改或者選擇自校準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)各類零點(diǎn)漂移問題加以解決。然而，上述方法的補(bǔ)償效果并不是很好，精確度不足。

結(jié)語

綜上所述，壓力傳感器零點(diǎn)漂移情況比較常見，需要采用專業(yè)技術(shù)手段加以解決，才能夠達(dá)到良好的應(yīng)用效果。技術(shù)人員要結(jié)合壓力傳感器使用原理，對(duì)壓阻式壓力傳感器靜態(tài)特性、工作原理、零點(diǎn)漂移問題等具備全面的認(rèn)識(shí)和了解，分別采用軟、硬件零點(diǎn)漂移補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器智能化發(fā)展，提高設(shè)備整體性能，達(dá)到良好的應(yīng)用效果，為工業(yè)生產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)，提高整體工作質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)

[1]張坤，張進(jìn).基于線性加權(quán)免疫克隆算法的壓力傳感器溫度補(bǔ)償方法[J].測(cè)控技術(shù)，2016，35（1）：6-8.

[2]何一鳴.橋梁智能張拉儀受控油溫對(duì)壓力傳感器性能影響試驗(yàn)研究[J].中外公路，2016（5）：166-168.

[3]梅強(qiáng).壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)零點(diǎn)漂移分析[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2018（1）：187-188.

（作者單位：內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所）