【文章內(nèi)容簡介】 第三章 壓力傳感器熱零點漂移的補償技術(shù)關(guān)于壓力傳感器的零點漂移補償問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量研究，并發(fā)表了一系列補償技術(shù)和算法。從整體上來分，可以分為硬件補償和軟件補償兩大方向。下面分別就這兩個方向的代表性方法做簡單介紹。 硬件零點補償方法對壓力傳感器而言，硬件補償方法有在橋臂上串、并聯(lián)恰當恒定電阻法，橋臂熱敏電阻補償法，橋外串、并聯(lián)熱敏電阻補償法，雙電橋補償技術(shù)、三極管補償技術(shù)等。以單晶硅壓力傳感器的零點溫度漂移通過串并聯(lián)電阻的方法進行補償為例。單晶硅壓力傳感器，是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成。壓阻系數(shù)是隨溫度變化而變化，因此壓阻效應(yīng)原理本身可引起傳感器輸出的溫度漂移；另外，半導(dǎo)體敏感元件的制作工藝也會帶來傳感器的整體溫度漂移，如橋路電阻的不等同性、橋臂電阻的漏電流、裝配應(yīng)力等，即使是在沒有輸入的情況下，即零點溫度漂移。，在電橋完全對稱時(即R1R3=R2R4)輸出應(yīng)為零，在實際工藝條件下電阻總有些誤差，如在電源電壓為3V的條件下當R1=R2=R3=R，R4=99%R，由VOC=V算出，VOC=。為了保證測量的準確性，必須要對電橋進行零位補償。根據(jù)經(jīng)驗，在有較高精度要求的場合下，用串并聯(lián)電阻的補償方法，一般取αs=αp=0。 惠斯通電橋電路 串并聯(lián)相鄰補償電路 串并聯(lián)相間補償電路無論是恒壓源還是恒流源供電，零位平衡的條件都是對臂電阻的乘積相等。零位溫漂最小的條件都是在對臂電阻的乘積相等的前提下對臂電阻的電阻溫度系數(shù)之和相等。采用一串一并補償?shù)姆▌t，可以有16種形式以上。按照電橋在一定溫度變化范圍內(nèi)保持平衡的兩個條件，可歸結(jié)為兩種基本形式來考慮。第一種：串并聯(lián)相鄰的形式。使電橋平衡的條件是： 聯(lián)立兩式，令有: 第二種：串并相間的形式，使電橋平衡的條件是： 聯(lián)立兩式，得： 總結(jié)以上所推出的結(jié)果，得出完整的補償公式。但用硬件電路進行校正大都存在電路復(fù)雜、調(diào)試困難、精度低、通用性差、成本高等缺點，不利于工程實際應(yīng)用。軟件補償是將微處理器與壓力傳感器結(jié)合起來，充分利用豐富的軟件功能、結(jié)合一定的補償算法對傳感器溫度的附加誤差進行修正。軟件補償?shù)男Ч扔布a償好，達到的精度更高，而且成本較低。通過軟件編程充分利用系統(tǒng)的計算能力和判斷能力來實現(xiàn)零點的自動跟蹤補償，清除系統(tǒng)的零點溫度漂移。 軟件補償零點漂移方法 軟件補償是將微處理器與壓力傳感器結(jié)合起來,充分利用豐富的軟件功能、結(jié)合一定的補償算法對傳感器溫度的附加誤差進行修正。軟件補償?shù)男Ч扔布a償好,達到的精度更高,而且成本較低。軟件補償?shù)乃惴ㄓ谢€、斜率去除零漂法、多項式擬合規(guī)范化法，以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等,都可用于壓力傳感器熱零點漂移的補償。 基線、斜率去除零漂方法　　在信號采集過程中，在觸發(fā)信號未發(fā)生到觸發(fā)采集以及在采集結(jié)束后的這些時間段里，輸入的信號為零，輸出的信號不為零，這種采集到的輸出數(shù)據(jù)以隨機噪聲的形式存在，對于數(shù)據(jù)的計算與處理是沒有意義的，我們定義這段時間里采集到的信號值稱之為零點漂移。零點分為第一零點和第二零點,第一零點指的是變送器測量的力為0即變送器輸入為0時系統(tǒng)采集到的值。第二零點指的是變送器測量的力由不為0變成0后測量的值,平均值能夠較為精確的反映零點的值。對第一零點、第二零點分別進行S次采樣,采集數(shù)據(jù)為，對其求平均值如下： 式中S——第一零點采樣次數(shù)；mi——第i次采集前零點值對第二零點進行s次采樣，采集數(shù)據(jù)為,對其求平均值如下：式中——第i次采集后零點值方差指的是隨機變量偏離數(shù)學(xué)期望的程度。方差越大,則采集的零點值偏離真實前零點值越遠,方差越小,則采集的零點值與真實零點值越接近,對第一零點采樣值求方差如下： （）對第二零點采樣值求方差如下： （）若D(m)10%或D(n)10%,則采集的零點值與真實零點值相差較大,該零點測量產(chǎn)生了較大干擾,必須排除干擾后再重新選擇零點。若方差小于10%,則采集的數(shù)據(jù)能夠精確的代表第一零點和第二零點的值,對第一零點和第二零點的值求偏差如下： （）若E2%,則認為第一零點和第二零點處于同一水平線上,則處于第一零點和第二零點之間的零點漂移值應(yīng)該波動較小,由此可得出變送器的零點漂移值較為穩(wěn)定,則采用基線零點漂移法可以消除零點漂移。若E2%,則第一、第二零點不在同一水平線上,則需要采用斜率去零點漂移法。對于絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都存在基線零點漂移；而斜率零點漂移則多見于積分系統(tǒng)，隨著時間的推移，積分器的零點可能會出現(xiàn)隨時間累加漂移?；€零點漂移法的原理就是將每次測量的值減去零點漂移穩(wěn)定值,所得到的值就是消除零點漂移后的值。設(shè)零點漂移穩(wěn)定值為c,則可得： （）在變送器輸入不等于0時,任意時刻采集的值為,則消除零點漂移后的值為： （）若E2%,則零點漂移不是固定的值,即零點漂移是隨著其他因素的改變而變化。常用的法是斜率去零點漂移法。斜率去零點漂移法認為零點漂移是隨著時間以一定的斜率變化的。已知第一零點值,第二零點值,設(shè)采樣的第i個信號零點值為，則由直線函數(shù)計算可得： （）式中k——斜率去零點漂移法的斜率T——采樣周期時間第一、第二零點值為，兩點時間間隔為ST,則斜率為：綜合以上式子，有消除零點漂移后的值為： （）基線零點漂移法將式()存入系統(tǒng)中,測量后的值經(jīng)過計算即可得到實際的值。在斜率零點漂移算法中,將式()存到系統(tǒng)中,每次測量的值經(jīng)過式()可得出消除零點漂移后的值,式()與式()為補償函數(shù)。 多項式擬合規(guī)范化法由于在實際測量中。壓力傳感器所測量的溫度、壓力等物理量不會與輸出值是嚴格的線性關(guān)系，因此其函數(shù)關(guān)系常常是多項式形式。多項式可用于非線性信號的擬合，關(guān)鍵在于求解其各項系數(shù)。非線性函數(shù)U=f(T)可以用一個多項式來表示: （） 由于以往的多項式擬合方法需要求解方程組來確定待定系數(shù)，而且冪級數(shù)多項式?jīng)]有正交性，計算過程比較繁瑣，不利于工程實現(xiàn)?，F(xiàn)有一種規(guī)范化多項式擬合，提出一種標準化方法，使得計算簡便，有利于編程。應(yīng)用這種方法進行分段擬合時，接合點能保持函數(shù)的連續(xù)性，而且當接合點附近部分重疊時可以保持導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性。具體原理如下：設(shè)有N個測試點，對應(yīng)的輸入輸出數(shù)據(jù)分別為溫度，零點電壓（i=1,2,…，N）。令,即有等分點,，…。例如取N=5，則有。于是有規(guī)范化同構(gòu)矩陣（），：且（）=1。這樣與式（）相對應(yīng)有規(guī)范化多項式： ()又由由式（）有，當N取值1~5時，分別有： 寫成矩陣形式為：=可得由于N=/T,比較式（）和（）可得，，。將求得的系數(shù)帶入式（）中，即可得到擬合多項式表達式。 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法這種方法的技術(shù)較為成熟，取得的結(jié)果精度也很高。但由于所學(xué)知識所限，本文并未對該方法做詳細敘述與程序的編寫。這里只是盡作者的理解做以下介紹?；驹恚和ǔＡ泓c溫度補償軟件算法中公式法較復(fù)雜，切擬合精度常會受到限制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有使用的樣本數(shù)少，算法簡單、具有任意函數(shù)逼近能力，應(yīng)用前景良好。以采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行傳感器零點溫度補償為例簡要介紹如下，其原理框圖如圖所示。 t kt1xz傳感器環(huán)境參數(shù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償環(huán)節(jié) 傳感器零點補償原理圖圖中傳感器數(shù)學(xué)模型為：，式中，x為被測參數(shù)，z為傳感器輸出，t1,t2Λ,tk為k個環(huán)境參數(shù)。若z和t1,t2Λ,tk均為x的單值函數(shù)，則上式的反函數(shù)存在，為：。為了對傳感器零點溫度漂移進行補償，其輸出端串聯(lián)一個補償環(huán)節(jié)，補償環(huán)節(jié)的特性函數(shù)為：，式中的y為補償后的輸出。顯然，y等于被測量x，從而實現(xiàn)傳感器零點溫度補償。但往往很復(fù)雜，難以準確求出，而RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的非線性逼近能力，可以利用RBF網(wǎng)絡(luò)學(xué)習并逼近函數(shù)，實現(xiàn)傳感器零點補償。 此外軟件法還包括查表法、插值法等，還有一些廠家從傳感器本身的特點出發(fā)，采用特殊技術(shù)，如改變摻雜濃度等，或者采用自校準技術(shù)來解決零點漂移的問題，但這些方法補償精度不高，效果遠沒有上述三種方法好，因此這里就不一一列舉。 本章小結(jié)上述硬件補償、軟件補償方法，均可實現(xiàn)溫度引起的傳感器零點漂移，都是行之有效的途徑。但較國外發(fā)展情況來看，我們做的還遠遠不夠，前方的路還很長。借鑒國內(nèi)外傳感器生產(chǎn)廠家零點補償、零點溫度補償工藝，積累經(jīng)驗，自主開發(fā)研制。硬件補償固然重要有其優(yōu)勢所在，但畢竟信息技術(shù)在發(fā)展，儀器設(shè)備微型化、智能化是不言而喻的大趨勢，所以我們必須加緊其補償方法的研究，尤其是在軟件補償方面，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法補償更顯得尤為重要。