0 引言

    針對壓阻式壓力傳感器在應(yīng)用中易發(fā)生溫度漂移的問題，開發(fā)了一種智能壓阻式傳感器溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。該方法利用現(xiàn)代信號調(diào)理技術(shù)，以信號調(diào)理芯片為核心，通過插值法對采集的溫度補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行擬合，從而實(shí)現(xiàn)了對壓阻式壓力傳感器溫度漂移的高精度補(bǔ)償。

    在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)壓力傳感器為集成單臂電橋和差分輸出信號的壓阻式傳感器，這類傳感器具有高靈敏度、高線性度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于硅壓阻傳感器使用的半導(dǎo)體材料——硅的固有特性，使得該傳感器存在一致性差、溫度漂移和非線性等問題^[1]，同時由于其擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)較大和制作工藝，使其在寬溫區(qū)的高精度受限^[2]。

    軟件補(bǔ)償是利用計算機(jī)的強(qiáng)處理能力，通過一系列的補(bǔ)償算法對壓力傳感器因溫度變化所產(chǎn)生的漂移進(jìn)行修正。這種方法不僅可以補(bǔ)償溫度變化對壓力傳感器造成的影響，同時還可改善非線性指標(biāo)，是提高壓力傳感器精度的一種有效方法。與硬件補(bǔ)償相比， 軟件補(bǔ)償?shù)男Ч谩⒕雀咔页杀镜汀?/p>

1 補(bǔ)償流程及核心算法

1.1 傳感器補(bǔ)償流程設(shè)計

    本文所設(shè)計的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)對壓阻式壓力傳感器的補(bǔ)償分為兩部分：預(yù)補(bǔ)償過程和在溫度預(yù)設(shè)點(diǎn)下的正式補(bǔ)償過程。由于不同的壓阻式壓力傳感器橋路電阻、靈敏度、輸出電壓范圍等參數(shù)存在很大差異，需要使用前在常溫下對壓力傳感器進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，以保證芯片內(nèi)部電路工作在線性及可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。預(yù)補(bǔ)償流程圖如圖1所示。預(yù)補(bǔ)償過程通常在常溫下進(jìn)行，目的是計算正式補(bǔ)償過程中所需要的各種寄存器的初始化值。在預(yù)補(bǔ)償之后，可以進(jìn)入正式補(bǔ)償流程。

    正式補(bǔ)償流程圖如圖2所示，補(bǔ)償?shù)闹饕獌?nèi)容是求取設(shè)定溫度點(diǎn)的靈敏度補(bǔ)償系數(shù) FSO、偏移量系數(shù)補(bǔ)償系數(shù) OFFSET。

    HKA2910可以設(shè)定1~114個待定補(bǔ)償?shù)臏囟赛c(diǎn)數(shù)。如果只進(jìn)行單點(diǎn)溫度補(bǔ)償，則寫入Flash中不同溫度的補(bǔ)償數(shù)據(jù)都相同。進(jìn)行兩點(diǎn)溫度補(bǔ)償時，則會對不同溫度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。進(jìn)行三點(diǎn)或三點(diǎn)以上的溫度補(bǔ)償時，軟件會對不同溫度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

1.2 補(bǔ)償數(shù)值擬合算法

    如果用實(shí)驗(yàn)的方法，在-55 ℃～+150 ℃的范圍內(nèi)，把各個溫度下的補(bǔ)償系數(shù)都測出來，將是一項(xiàng)非常耗時且重復(fù)性強(qiáng)的工作，這是沒有必要的。通常情況下，選擇有限的離散溫度點(diǎn)對壓力傳感器進(jìn)行校正，然后記錄這些溫度點(diǎn)上的補(bǔ)償系數(shù)，采用軟件的算法得到在各個溫度點(diǎn)的補(bǔ)償系數(shù)。

    采用軟件算法實(shí)現(xiàn)離散數(shù)據(jù)的線性化，通常有查表法和插值法。查表法獲得的數(shù)據(jù)的線性度與表數(shù)據(jù)的數(shù)量有關(guān)，數(shù)據(jù)越多則線性度越好，但是數(shù)據(jù)越多所需要占用的存貯空間也越大^[3]。

    本系統(tǒng)采用插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，線性插值法是一種常用的插值方法。如圖3所示，X為自變量，Y為因變量，它們是非線性關(guān)系。插值法把自變量X分成n個均勻的區(qū)間，每個區(qū)間的端點(diǎn)Xn都對應(yīng)一個Yn。實(shí)際的測量值X一定會落在某個區(qū)間(Xn，Xn+1)內(nèi)，設(shè)y=f(x)。可用利用區(qū)間的端點(diǎn)值來求取一次函數(shù)表達(dá)式f(x)的值。

    采用線性插值法，只要區(qū)間分得足夠多，就可以達(dá)到所需的計算精度。

2 軟件介紹

    為了配合所設(shè)計的補(bǔ)償流程，本軟件通過C#語言進(jìn)行開發(fā)。利用C#提供的大量可視化控件以及第三方提供的各種強(qiáng)大的控制資源來設(shè)計交互式的操作界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、參數(shù)設(shè)定、傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理和生成等功能。

2.1 主界面

    系統(tǒng)的主操作界面如圖4所示，包括工具欄、校準(zhǔn)參數(shù)區(qū)、用戶信息區(qū)和補(bǔ)償初始值區(qū)。

    修改校準(zhǔn)參數(shù)中的參數(shù)值，能夠使得校準(zhǔn)結(jié)果的精度發(fā)生改變。溫度點(diǎn)數(shù)越多，絕對誤差越小，則校準(zhǔn)結(jié)果的精度越高。

    補(bǔ)償初始值中的數(shù)據(jù)反應(yīng)的是信號調(diào)理芯片中寄存器的值，能夠通過修改界面中的值修改寄存器。

    點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕后，界面與芯片產(chǎn)生通信，補(bǔ)償初始值區(qū)獲取到芯片中寄存器的值。設(shè)置校準(zhǔn)參數(shù)后，點(diǎn)擊預(yù)校準(zhǔn)，根據(jù)提示步驟，測量指定壓強(qiáng)下的電壓，獲取預(yù)校準(zhǔn)后各個寄存器的值，之后在所需測試的溫度上進(jìn)行主校準(zhǔn)，獲取多個溫度點(diǎn)上的FSO、Offset寄存器值，由多個不同溫度下FSO、Offset寄存器值進(jìn)行擬合得出溫度區(qū)間內(nèi)各個溫度點(diǎn)的FSO、Offset寄存器值，并寫入Flash中，軟件校準(zhǔn)結(jié)束。

2.2 校準(zhǔn)記錄界面

    在進(jìn)行主校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)步驟中FSO、Offset寄存器值以及所測量電壓的變化都記錄在校準(zhǔn)記錄界面中，如圖5所示。

2.3 計算擬合曲線界面

    此軟件提供兩種擬合方式，一種是將每個溫度點(diǎn)間的寄存器值以直線連接為折線補(bǔ)償，一種是使每個溫度點(diǎn)間的值連接成為一條曲線，如圖6所示。在主校準(zhǔn)完成后默認(rèn)為曲線補(bǔ)償方式。

    在軟件應(yīng)用中設(shè)置多個溫度補(bǔ)償點(diǎn)，按照圖2補(bǔ)償流程圖所示進(jìn)行多個溫度下的補(bǔ)償。在所有設(shè)置的溫度點(diǎn)都補(bǔ)償完畢后，系統(tǒng)將自動根據(jù)不同校準(zhǔn)溫度下FSO和OFFSET的值擬合出從-55 ℃～+150 ℃范圍內(nèi)的所有補(bǔ)償參數(shù)，并將擬合出的參數(shù)寫入芯片F(xiàn)lash中。至此，芯片補(bǔ)償電路就可以在規(guī)定溫度范圍內(nèi)對此傳感器進(jìn)行全自動補(bǔ)償。芯片在進(jìn)行補(bǔ)償時會利用片內(nèi)溫度傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境溫度，根據(jù)寄存器內(nèi)溫度數(shù)值的變化，芯片會搜尋存儲在內(nèi)部Flash中的對應(yīng)溫度點(diǎn)的補(bǔ)償系數(shù)加載到相應(yīng)的寄存器中，并轉(zhuǎn)換成模擬量來修正傳感器輸出信號中的溫度誤差。

3 結(jié)束語

    用C#開發(fā)的硅壓阻式傳感器軟件補(bǔ)償系統(tǒng)改進(jìn)了原有的傳感器補(bǔ)償方法，提高了效率，支持Windows操作系統(tǒng)運(yùn)行，人機(jī)界面友好。經(jīng)硬件、軟件調(diào)試后，現(xiàn)場測試穩(wěn)定可靠。通過對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析研究，證明該系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

    利用軟件實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償是一種非常簡便、有效的方法。這種方法能夠有效降低測量系統(tǒng)的電路復(fù)雜度，并且節(jié)約成本，無需額外的操作便可以得到可靠的數(shù)據(jù)，適合對批量傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，因此具有極其廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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