壓阻式壓力傳感器的溫度補償及現場校準方法

周志煒， 鄧天雨， 師 亮， 陳寶成， 張 蒙， 姜 超

(1.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028; 2.中國航發控制系統研究所，江蘇 無錫 214000)

0 引 言

硅壓阻式壓力傳感器因其靈敏度高、動態響應快、穩定性好等優點，在工業、軍事、航空航天、國防、氣象、農業等領域應用廣泛[1～3]。因此，對壓力傳感器的精度及長期穩定性提出更高的要求。由于半導體的材料特性，外界環境因素會引起壓敏電阻特性和壓阻特性變化[4～6]，從而引起較大的零點、滿量程漂移和非線性改變的情況[7～9]，導致傳感器的工作精度誤差增大，因此需要對其零點、滿量程以及多點進行校準。目前，常用的校準方法有電路硬件校準和軟件校準，電路硬件前期校準復雜且調試困難，不適合工程化。軟件后期校準一般有曲面擬合[10]、多次擬合方法[11]和數學模型[12]等，對改善精度有較好的效果。

本文根據壓力敏感芯體的原始輸出信號，提出一種通過采集電路的數字濾波技術與曲線擬合溫度補償技術相結合的方法，彌補傳感器性能不足，提高其全維度范圍的準確度、可靠性。并進行了實驗驗證，結果表明：該方法有效地提高了傳感器測量精度，具備工程操作性，可在航天等壓力傳感器領域推廣應用。

1 傳感器設計

1.1 傳感器組成

傳感器結構如圖1所示。壓力敏感芯體擬采用硅壓阻式[13，14]原理研制，基片選擇采用絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)結構硅片，采用附溫傳感器設計，實現傳感器環境溫度參數測量。采用高精度A/D電路實現壓力和溫度信號的數據轉換，通過微處理器實現壓力傳感器的數據接收、處理和輸出，并針對硅壓力傳感器的溫度特性、時間漂移特性和靈敏度的非線性建立數字擬合數據模型，進行壓力傳感器溫度和非線性的智能化補償修正，實現壓力傳感器在全溫區的測量精度，得到高精度的壓力數據輸出。

圖1 傳感器結構

1.2 信號處理單元設計

如圖2所示，測溫電橋與壓力調理電路檢測轉換出的溫度、壓力模擬信號輸送至模數轉換電路，由其轉換為數字信號，在輸送至微處理器。在微處理器中，經過數字濾波、溫度補償、壓力值擬合計算后，由輸入輸出接口(USB)輸送至上位機。

圖2 壓力轉換調理電路

本文采用的微處理器是STM32F103CBT6，利用其高性能運算能力和高集成度，可提高數據處理能力以及結構的小型化。在強干擾環境中，微控制器容易死機、程序跑飛或進入死循環，在系統上電或欠壓條件下，數字電路部件容易出現不確定狀態，造成意外動作。本文采用看門狗與電源監控器解決這些問題，可大大提高傳感器的抗干擾能力與可靠性。為了節省微處理器接口資源、降低成本、提高自身的可靠性，采用了集成復位電路設計實現看門狗定時器、電源電壓監控、上電復位等功能，很好地解決了這些問題。

1.3 壓力信號轉換電路設計

硅壓阻傳感器是通過壓力敏感芯體將壓力轉換成電信號，再通過調理電路將這個信號調理成滿足使用需求的電信號。為滿足±0.1 %FS的精度指標要求，本文采用24位AD芯片。如圖2為壓力轉換調理電路設計，其中包括電路輸入輸出保護、濾波、供電、放大等部分，各部分分別完成了電路的內外保護、干擾的濾除、壓力敏感元件供電及輸出信號放大等功能。

在進行數據采集時，由于數字電路部分模/數(A/D)等信號切換產生數字噪聲，同時模擬電路部分的噪聲信號通過電源耦合到數字電路中來，使噪聲信號變得復雜，噪聲信號使得采樣結果產生誤差，同時還要考慮使用環境及其他噪聲信號的疊加和干擾。因此，在高精度測量系統中，去除噪聲信號對提高系統精度有重要意義，采取適當的手段以保證A/D轉換精度。主要從軟、硬件兩方面考慮：硬件電路方面增加模擬和數字電路的電源隔離并根據實際信號情況設置合理的帶通濾波電路，在軟件上根據測量要求采用適當的數字濾波技術濾除噪聲信號。以改善噪聲干擾，提高測試總精度。

1.4 壓力傳感器控制電路設計

微處理器初始化后，經模式選擇，確定工作模式：1)傳感器壓力測量模式下，微處理器STM32F103CBT6與模數轉換芯片之間通過SPI總線進行數據通信，定時讀取壓力和溫度的數字信號，經過量程劃分和溫度補償，進行USB總線數字通信。2)傳感器在線校準模式下，傳感器和上位機通過USB總線進行數據通信，針對上位機不同命令，進行壓力數據的上傳、下載以及存儲。

1.5 壓力溫度曲線補償

傳感器無補償的輸出在很大程度上取決于溫度和壓力。如圖3的表面向右下傾的實情表示溫度升高時，傳感器對壓力變得不太敏感，在固定溫度下，傳感器對壓力的響應也呈輕微的非線性。為此，建立對應的三維曲面數學模型，通過算法來模擬補償原傳感器數據中，隨溫度變化的誤差及非線性度。

圖3 溫度壓力三維數據曲面

由于線性擬合算法只適用于靜態特性曲線為直線的情況，當特性曲線的數據為曲線，即擬合方程為高階多項式方程時，線性擬合法并不適用，這時把線性擬合算法加以推廣，采用分段線性擬合算法來實現對數據的跟蹤。分段線性擬合算法的思想與線性擬合算法基本相同，都是利用歷史數據擬合直線方程；與線性擬合法最大的區別在于，它的曲線的參數不是固定的，而每個多項式常數，都是單獨溫度不斷更新擬合的曲線多項式計算結果。傳感器壓力值計算高階多項式擬合曲線方程如下

Y=a1tXn+a2tXn-1+,…,+ant

(1)

式中Y為傳感器的壓力計算值；X為傳感器的模數轉換芯片的壓力采集值；a0t,a1t,…,ant為多項式常數，不是簡單的固定值，是溫度T的函數。在標定過程中，axt(T)(x=0,1,…,n)的表達式如下

axt=b0xTm+b1xTm-1+…+bmx(x=0，1,…,n)

(2)

式中T為傳感器的模數轉換芯片的溫度采集值；b0x,b1x,…,bmx為以axt為函數值，對多個溫度點的溫度采集值進行曲線擬合后，得出的擬合多項式常數，擬合原則依然是使殘差平方和最小。

當傳感器進行壓力測量時，首先采集當前環境溫度AD采集值，將其代入式(2)中，得出一系列當前溫度下對應的常數值a0t,a1t,…,ant，再將壓力AD采集值代入式(1)中，求得當前壓力測量值。針對本文提出的±0.1 %FS的精度要求，采用曲線擬合算法，傳感器的最終精度取決于壓力敏感芯體的重復性和遲滯，以及分段與多項式階數。

2 現場校準技術設計

2.1 校準總體設計

校準總體工作流程如圖4所示。在現場工作環境下，采用標準壓力計，同時利用動態采集儀器采集標準壓力值和傳感器輸出壓力值，經過計算，評估傳感器的誤差、線性等基本參數。標定重復的次數應不少于3次，標定過程中應平穩升壓或降壓，避免出現超調或回調。傳感器上電后，首先檢測上位機信號，以確定工作模式是校準模式還是測量模式。測量模式由A/D芯片將芯體輸出信號采集輸入微處理器，結合溫度檢測數據，進行數字溫度補償，輸出壓力值。校準模式則需要根據上位機控制信號，將對應的檢測數據上傳，并接收上位機輸入的校準參數。

圖4 在線校準標定流程

2.2 傳感器校準工作模式設計

工作在校準模式時，根據上位機的輸入信號，傳感器具有多種校準函數，均可同上位機進行收發通信，完成不同的校準工作任務。完成上述校準函數的工作后，傳感器會接收上位機的重置信號，重置補償擬合曲線多項式的各項參數，完成校準工作。如圖5所示，對傳感器零點、靈敏度以及壓力開關動作壓力的校準，是通過調整校準方程f(PAD)和開關壓力閾值P0±ΔP來實現。

圖5 校準功能實現流程

傳感器微處理器內部對A/D芯片采集輸入的數據PAD和TAD，以多項式擬合的方式進行補償修正，PAD為壓力的AD檢測值，TAD為溫度的AD檢測值，公式如下

(3)

以上各參數是在傳感器出廠標定過程中，綜合當時的PAD和TAD擬合計算而得到，當傳感器發生零點或靈敏度漂移，需要校準時，無需再次進行各參數的具體標定，只需要在f(PAD)的基礎上，對輸出直線的截距和斜率進行調整即可。具體到傳感器的輸出曲線變化，如圖6所示。

圖6 傳感器的輸出曲線

3 實 驗

3.1 芯體測試

將40 kPa壓力芯體放入高精度溫箱中，設置對應的溫度點，使用高精度壓力儀(德魯克PACE5000)對芯體進行加壓測試，測得芯體在不同溫度下輸出值，進行數據曲線擬合。

由圖7可知，在恒定不同溫度下，加載壓力芯體輸出電壓值呈現出良好的線性度。不同溫度之間，壓力芯體的零點輸出電壓值隨著溫度的升高，輸出值明顯增加，通過對3條正行程多項擬合得到的線性度為99.8 %。同時,對比正反行程的誤差可以發現25 ℃的重復性為最佳，對3個溫度進行重復性計算，得出重復性均在0.8 %以下，說明芯體在高溫或者低溫都有著良好的重復性。

圖7 不同溫度下芯體原始輸出

3.2 傳感器測試

將智能算法和誤差數學模型寫進微處理器中，微處理器對采集的數據在上位機能實時進行壓力數據采集。為驗證數據算法的有效性和在線校準的功能，對傳感器進行測試。測試方法跟測試芯體步驟相同，測試結果如表1。

表1 不同溫度下的傳感器輸出值

由表1可知，傳感器經過智能溫度補償算法和誤差數學模型后能精確的輸出壓力數值，補償后的壓力變送器具有良好的測量的精度，在-20～80 ℃溫度區間內，測量平均誤差在±0.02 %FS以內。

4 結 論

本文采用基于STM32F103CBT6的高精度采集電路，提升了壓力芯體的初始測量精度。通過數字濾波技術，以改善噪聲干擾，提高測試變送器的精度。通過溫度壓力曲線擬合算法，實現全溫區溫度補償。在-20～80 ℃溫度范圍內,變送器輸出誤差在±0.02 % FS 以內。本文設計的在線校準方法提升了傳統壓力變送器的精度，同時本文設計的硬件電路可規范化，操作方便，工程應用背景廣泛。