擴散硅壓力變送器的溫度補償方法

摘要:擴散硅壓力變送器具有精度高、穩定性好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，但容易受溫度影響，導致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。因此需對擴散硅壓力變送器進(jìn)行溫度補償。本文提出了一種軟件補償方法，首先建立擴散硅壓力變送器與溫度的高階溫度補償模型，工控機利用最小二乘回歸算法(PLSR)求出壓力變送器的溫度補償系數，通過(guò)HART通訊把溫度補償系數發(fā)送到壓力變送器中，壓力變送器通過(guò)高階溫度補償模型就可實(shí)現對擴散硅壓力變送器的溫度補償。
0概述
       擴散硅壓力變送器具有精度高、穩定性好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，但容易受溫度影響，導致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。測量值和真實(shí)值存在著(zhù)誤差，因此溫度補償問(wèn)題是提高傳感器性能的一一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。目前擴散硅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(diǎn)，不利于工程實(shí)際應用;軟件補償能夠克服以上缺點(diǎn)，也逐漸成為研究熱點(diǎn)。
       目前軟件補償主要有:查表法、二元插值法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法、曲線(xiàn)曲面擬合方法等4。查表法需要占用很大的內存空間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法存在網(wǎng)絡(luò )不穩定、訓練時(shí)間較長(cháng)等缺點(diǎn)，不利于工程應用。本文采用最小二乘回歸算法，占用內存少，運算速度快，可提高壓力變送器的輸出線(xiàn)性度和精度，提高了壓力變送器在全溫度范圍內的穩定性和可靠性。
1溫度補償系統原理
       擴散硅壓力變送器的溫度補償系統的硬件控制系統框圖如圖1所示，圖1以?xún)删€(xiàn)制帶HART通訊的壓力變送器為例。工控機通過(guò)溫度采集板卡采集放到溫控箱里溫度傳感器的溫度，并通過(guò)GPIB總線(xiàn)對溫控箱進(jìn)行溫度調節。氣泵、增壓泵和壓力控制系統為壓力變送器提供壓力，工控機通過(guò)壓力檢測系統檢測氣體的壓力值，并根據此壓力值調節壓力控制系統為壓力變送器提供穩定的壓力源。壓力變送器在溫控箱里整齊排列，壓力變送器接在同-一個(gè)壓力氣源上，壓力變送器的供電也連接在一起接到24V供電電源上,HART調制解調器串在24V供電電路里。當溫控箱穩定在某-溫度下，壓力控制系統為壓力變送器提供-一個(gè)穩定的標準壓力，工控機就可以通過(guò)HART調制解調器讀取溫控箱內每個(gè)壓力變送器在當前溫度和當前壓力下的壓力值。

2溫度補償模型
       通過(guò)對擴散硅壓力變送器的特性研究和大量的實(shí)驗數據分析發(fā)現，擴散硅壓力變送器的壓力值隨溫度變化滿(mǎn)足-定的規律5,，基于該規律提出了適用于擴散硅壓力變送器的高階溫度補償模型。
2.1建立高階溫度補償模型
       擴散硅壓力變送器的溫度補償模型如下:

       其中:CP和PT都是具有25個(gè)元素的行向量;CPoo~CP44、P測、T和P的含義同式(1)。
2.2獲取樣本數據:
       在擴散硅壓力傳感器的工作溫度范圍內(-35℃~85℃)，每隔一定溫度取一個(gè)溫度點(diǎn)，共m個(gè)溫度點(diǎn)，并在每--一個(gè)溫度點(diǎn)下采集壓力變送器在滿(mǎn)量程范圍內的n個(gè)壓力點(diǎn)的測量壓力值，則有m*n個(gè)測量壓力值。然后通過(guò)m個(gè)溫度值、n個(gè)標準壓力值、m*n個(gè)測量壓力值求解高階溫度補償模型的補償系數，求出補償系數后，把補償系數寫(xiě)到硅壓力變送器的存儲單元中保存，以實(shí)現對擴散硅壓力變送器的溫度補償。根據式(2)數據，可得到m*n個(gè)關(guān)系式:

2.3利用最小二乘回歸算法計算壓力的溫度補償系數。
       根據式(7)工控機利用軟件MATLAB中的函數[CP",CPint,b,bint,stalel-=egres(PT,A,0.05)即可求出溫度補償系數CP。

3溫度補償方法的實(shí)現
       把量程為lbar的擴散硅壓力變送器放到溫控箱中，接通氣源為壓力變送器提供標準壓力。給壓力變送器上電，關(guān)閉恒溫箱。在硅壓力變送器的使用溫度范圍(-35℃~85℃)內每隔10℃選取一一個(gè)溫度點(diǎn)，共有13個(gè)溫度測試點(diǎn)(m=13)。在每個(gè)溫度點(diǎn)分別采集壓力變送器在標準壓力為Obar、0.5bar和lbar下的測量壓力值(n=3)，得到表1補償前數據。表1中的第--行為溫度值，第二行為壓力變送器在Obar壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值，第三行為壓力變送器在Obar時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿(mǎn)量程誤差。第四行為壓力變送器在0.5bar壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值，第五行為壓力變送器在0.5bar時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿(mǎn)量程誤差。第六行為壓力變送器在1.0bar壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值，第七行為壓力變送器在1.0bar時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的滿(mǎn)量程誤差。根據表1數據，可以得到矩陣A和pT,根據式CPT=(4)1*pT工控機調用MATLAB中的最小二乘回歸算法函數regress,即可求出壓力變送器的溫度補償系數CP00~CPu，如表2所示。
        求出溫度補償系數后，工控機通過(guò)HART通訊把溫度補償系數傳到壓力變送器內，根據式(1)可得出此壓力變送器的溫度補償模型，表3為此壓力變送器采用溫度補償后的數據。
從表1、表3數據可以看出，未進(jìn)行溫度補償前擴散硅壓力變送器的溫度漂移很大，在-35℃、壓力為lbar時(shí)滿(mǎn)量程誤差為0.81%，而采用高階溫度補償模型進(jìn)行補償后的溫度漂移明顯減小，在-35℃~85℃的溫度范圍內，壓力變送器的滿(mǎn)量程誤差為0.07%，擴散硅壓力變送器補償后的滿(mǎn)量程精度比補償前提高了10倍。
       采用了本文介紹的壓力變送器的溫度補償技術(shù)，,大大提高了擴散硅壓力變送器的輸出精度，且降低了產(chǎn)品輸出溫度漂移，產(chǎn)品在-35℃~85℃的溫度范圍內，溫度漂移控制在0.075%以?xún)取?br /> 4結論
       采用高階溫度補償模型，并利用最小二乘回歸算法求解高階溫度補償模型系數的方法實(shí)現對擴散硅壓力變送器的溫度補償,從而改善了傳感器和電路元器件的溫度漂移,提高了擴散硅壓力變送器的輸出精度。在降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品性能和產(chǎn)品在國際市場(chǎng)競爭力等方面都具有非常重要的意義。