压阻式压力传感器的温度补偿及现场校准方法

周志炜， 邓天雨， 师 亮， 陈宝成， 张 蒙， 姜 超

(1.中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028; 2.中国航发控制系统研究所，江苏 无锡 214000)

0 引 言

硅压阻式压力传感器因其灵敏度高、动态响应快、稳定性好等优点，在工业、军事、航空航天、国防、气象、农业等领域应用广泛[1～3]。因此，对压力传感器的精度及长期稳定性提出更高的要求。由于半导体的材料特性，外界环境因素会引起压敏电阻特性和压阻特性变化[4～6]，从而引起较大的零点、满量程漂移和非线性改变的情况[7～9]，导致传感器的工作精度误差增大，因此需要对其零点、满量程以及多点进行校准。目前，常用的校准方法有电路硬件校准和软件校准，电路硬件前期校准复杂且调试困难，不适合工程化。软件后期校准一般有曲面拟合[10]、多次拟合方法[11]和数学模型[12]等，对改善精度有较好的效果。

本文根据压力敏感芯体的原始输出信号，提出一种通过采集电路的数字滤波技术与曲线拟合温度补偿技术相结合的方法，弥补传感器性能不足，提高其全维度范围的准确度、可靠性。并进行了实验验证，结果表明：该方法有效地提高了传感器测量精度，具备工程操作性，可在航天等压力传感器领域推广应用。

1 传感器设计

1.1 传感器组成

传感器结构如图1所示。压力敏感芯体拟采用硅压阻式[13，14]原理研制，基片选择采用绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)结构硅片，采用附温传感器设计，实现传感器环境温度参数测量。采用高精度A/D电路实现压力和温度信号的数据转换，通过微处理器实现压力传感器的数据接收、处理和输出，并针对硅压力传感器的温度特性、时间漂移特性和灵敏度的非线性建立数字拟合数据模型，进行压力传感器温度和非线性的智能化补偿修正，实现压力传感器在全温区的测量精度，得到高精度的压力数据输出。

图1 传感器结构

1.2 信号处理单元设计

如图2所示，测温电桥与压力调理电路检测转换出的温度、压力模拟信号输送至模数转换电路，由其转换为数字信号，在输送至微处理器。在微处理器中，经过数字滤波、温度补偿、压力值拟合计算后，由输入输出接口(USB)输送至上位机。

图2 压力转换调理电路

本文采用的微处理器是STM32F103CBT6，利用其高性能运算能力和高集成度，可提高数据处理能力以及结构的小型化。在强干扰环境中，微控制器容易死机、程序跑飞或进入死循环，在系统上电或欠压条件下，数字电路部件容易出现不确定状态，造成意外动作。本文采用看门狗与电源监控器解决这些问题，可大大提高传感器的抗干扰能力与可靠性。为了节省微处理器接口资源、降低成本、提高自身的可靠性，采用了集成复位电路设计实现看门狗定时器、电源电压监控、上电复位等功能，很好地解决了这些问题。

1.3 压力信号转换电路设计

硅压阻传感器是通过压力敏感芯体将压力转换成电信号，再通过调理电路将这个信号调理成满足使用需求的电信号。为满足±0.1 %FS的精度指标要求，本文采用24位AD芯片。如图2为压力转换调理电路设计，其中包括电路输入输出保护、滤波、供电、放大等部分，各部分分别完成了电路的内外保护、干扰的滤除、压力敏感元件供电及输出信号放大等功能。

在进行数据采集时，由于数字电路部分模/数(A/D)等信号切换产生数字噪声，同时模拟电路部分的噪声信号通过电源耦合到数字电路中来，使噪声信号变得复杂，噪声信号使得采样结果产生误差，同时还要考虑使用环境及其他噪声信号的叠加和干扰。因此，在高精度测量系统中，去除噪声信号对提高系统精度有重要意义，采取适当的手段以保证A/D转换精度。主要从软、硬件两方面考虑：硬件电路方面增加模拟和数字电路的电源隔离并根据实际信号情况设置合理的带通滤波电路，在软件上根据测量要求采用适当的数字滤波技术滤除噪声信号。以改善噪声干扰，提高测试总精度。

1.4 压力传感器控制电路设计

微处理器初始化后，经模式选择，确定工作模式：1)传感器压力测量模式下，微处理器STM32F103CBT6与模数转换芯片之间通过SPI总线进行数据通信，定时读取压力和温度的数字信号，经过量程划分和温度补偿，进行USB总线数字通信。2)传感器在线校准模式下，传感器和上位机通过USB总线进行数据通信，针对上位机不同命令，进行压力数据的上传、下载以及存储。

1.5 压力温度曲线补偿

传感器无补偿的输出在很大程度上取决于温度和压力。如图3的表面向右下倾的实情表示温度升高时，传感器对压力变得不太敏感，在固定温度下，传感器对压力的响应也呈轻微的非线性。为此，建立对应的三维曲面数学模型，通过算法来模拟补偿原传感器数据中，随温度变化的误差及非线性度。

图3 温度压力三维数据曲面

由于线性拟合算法只适用于静态特性曲线为直线的情况，当特性曲线的数据为曲线，即拟合方程为高阶多项式方程时，线性拟合法并不适用，这时把线性拟合算法加以推广，采用分段线性拟合算法来实现对数据的跟踪。分段线性拟合算法的思想与线性拟合算法基本相同，都是利用历史数据拟合直线方程；与线性拟合法最大的区别在于，它的曲线的参数不是固定的，而每个多项式常数，都是单独温度不断更新拟合的曲线多项式计算结果。传感器压力值计算高阶多项式拟合曲线方程如下

Y=a1tXn+a2tXn-1+,…,+ant

(1)

式中Y为传感器的压力计算值；X为传感器的模数转换芯片的压力采集值；a0t,a1t,…,ant为多项式常数，不是简单的固定值，是温度T的函数。在标定过程中，axt(T)(x=0,1,…,n)的表达式如下

axt=b0xTm+b1xTm-1+…+bmx(x=0，1,…,n)

(2)

式中T为传感器的模数转换芯片的温度采集值；b0x,b1x,…,bmx为以axt为函数值，对多个温度点的温度采集值进行曲线拟合后，得出的拟合多项式常数，拟合原则依然是使残差平方和最小。

当传感器进行压力测量时，首先采集当前环境温度AD采集值，将其代入式(2)中，得出一系列当前温度下对应的常数值a0t,a1t,…,ant，再将压力AD采集值代入式(1)中，求得当前压力测量值。针对本文提出的±0.1 %FS的精度要求，采用曲线拟合算法，传感器的最终精度取决于压力敏感芯体的重复性和迟滞，以及分段与多项式阶数。

2 现场校准技术设计

2.1 校准总体设计

校准总体工作流程如图4所示。在现场工作环境下，采用标准压力计，同时利用动态采集仪器采集标准压力值和传感器输出压力值，经过计算，评估传感器的误差、线性等基本参数。标定重复的次数应不少于3次，标定过程中应平稳升压或降压，避免出现超调或回调。传感器上电后，首先检测上位机信号，以确定工作模式是校准模式还是测量模式。测量模式由A/D芯片将芯体输出信号采集输入微处理器，结合温度检测数据，进行数字温度补偿，输出压力值。校准模式则需要根据上位机控制信号，将对应的检测数据上传，并接收上位机输入的校准参数。

图4 在线校准标定流程

2.2 传感器校准工作模式设计

工作在校准模式时，根据上位机的输入信号，传感器具有多种校准函数，均可同上位机进行收发通信，完成不同的校准工作任务。完成上述校准函数的工作后，传感器会接收上位机的重置信号，重置补偿拟合曲线多项式的各项参数，完成校准工作。如图5所示，对传感器零点、灵敏度以及压力开关动作压力的校准，是通过调整校准方程f(PAD)和开关压力阈值P0±ΔP来实现。

图5 校准功能实现流程

传感器微处理器内部对A/D芯片采集输入的数据PAD和TAD，以多项式拟合的方式进行补偿修正，PAD为压力的AD检测值，TAD为温度的AD检测值，公式如下

(3)

以上各参数是在传感器出厂标定过程中，综合当时的PAD和TAD拟合计算而得到，当传感器发生零点或灵敏度漂移，需要校准时，无需再次进行各参数的具体标定，只需要在f(PAD)的基础上，对输出直线的截距和斜率进行调整即可。具体到传感器的输出曲线变化，如图6所示。

图6 传感器的输出曲线

3 实 验

3.1 芯体测试

将40 kPa压力芯体放入高精度温箱中，设置对应的温度点，使用高精度压力仪(德鲁克PACE5000)对芯体进行加压测试，测得芯体在不同温度下输出值，进行数据曲线拟合。

由图7可知，在恒定不同温度下，加载压力芯体输出电压值呈现出良好的线性度。不同温度之间，压力芯体的零点输出电压值随着温度的升高，输出值明显增加，通过对3条正行程多项拟合得到的线性度为99.8 %。同时,对比正反行程的误差可以发现25 ℃的重复性为最佳，对3个温度进行重复性计算，得出重复性均在0.8 %以下，说明芯体在高温或者低温都有着良好的重复性。

图7 不同温度下芯体原始输出

3.2 传感器测试

将智能算法和误差数学模型写进微处理器中，微处理器对采集的数据在上位机能实时进行压力数据采集。为验证数据算法的有效性和在线校准的功能，对传感器进行测试。测试方法跟测试芯体步骤相同，测试结果如表1。

表1 不同温度下的传感器输出值

由表1可知，传感器经过智能温度补偿算法和误差数学模型后能精确的输出压力数值，补偿后的压力变送器具有良好的测量的精度，在-20～80 ℃温度区间内，测量平均误差在±0.02 %FS以内。

4 结 论

本文采用基于STM32F103CBT6的高精度采集电路，提升了压力芯体的初始测量精度。通过数字滤波技术，以改善噪声干扰，提高测试变送器的精度。通过温度压力曲线拟合算法，实现全温区温度补偿。在-20～80 ℃温度范围内,变送器输出误差在±0.02 % FS 以内。本文设计的在线校准方法提升了传统压力变送器的精度，同时本文设计的硬件电路可规范化，操作方便，工程应用背景广泛。