扩散硅数字化压力变送器补偿技术

摘要:详细介绍了护散硅数字化压力变送器的特点和现状，提出了对扩散硅压力变送器的数字补偿方案和补偿算法及实际测试结果。该技术提高了产品的整体性能，很好的解决了变送器零点湿漂和灵敏度温漂的问题，并通过批量化的生产证实这种技术的正确性。
一、概述
　　本文的介绍了扩散硅压力变送器的数字化补偿技术，目的在于提高扩散硅压力变送器的综合性能，降低由于温度等外界环境因素对扩散硅压力变送器的影响，使压力变送器综合性指标能达到最佳。
　　扩散硅压力传感器以其高精度、高稳定性、重复性好、量程范围宽、兼容性好、灵敏度高、线性好、无滞后、反应快等诸多优点而广泛应用于工业控制，流量测量，医用仪器，空气动力测量，液压、气动设备等领域。但由于扩散硅压力传感器受温度变化影响使其性能受到一些影响。目前国、内外对传感器的补偿方法采用模拟电路补偿和在智能芯片或微机中以软件的方法实现补偿。其中模拟补偿的方法有:在桥臂上串并恒定的电阻法:桥臂热敏电阻法:桥外上串、并热敏的电阻法:双电桥补偿技术等。使用模拟电路进行校正大都存在电路复杂、调试困难、精度低、通用性差、效率低等缺点。软件补偿是将微处理器与压力传感器结合起来，充分利用丰富的软件功能、结合一定的补偿算法对传感器温度的附加误差进行修正。软件补偿的效果比模拟补偿好，达到的精度更高，但硬件成本高，生产工艺相对复杂。本技术采用扩散硅压力传感器和新型传感器调理芯片，消除了外界环境温度对变送器输出的影响，解决了模拟补偿中精度低、软件补偿成本高、频响低等缺点。解决了在实际应用中的诸多问题，适用于对精度、成本等有要求较高的场合使用。
二、数字化压力变送器硬件原理
　　数字化压力变送器的原理是采用高性能的扩散硅压力传感器以及数字化传感器信号调理芯片组成。以数字化调理芯片PGA309为例，三线制电压产品，输出信号0.5-4.5VDC,供电5VDC.变送器的原理如图1所示。
 
　　PGA309将传感器输出的差分信号进行放大和校准。校准和温度补偿产品时采用单线和计算机通信。校准参数和补偿参数存储在外部的EEPROM中。PGA309工作时触发温度ADC测量温度，然后读取EEPROM中的参数查询表，依据查询表中的对应温度索引的参数计算零点DAC和增益DAC的设置值，进而计算其输出数值并输出，接着启动温度ADC新一轮的转换，如此反复循环。
三、变送器补偿算法
补偿算法采用最佳拟合直线的算法。
1、小二乘法拟合直线补偿
　　如果实际校准曲线有N个测试点，对应的输入输出数据分别为温度Ti，零点电压Ui(i=1，2，...N)。
　　设最小二乘法拟合直线为:
 
　　根据校准曲线上N个测量值,将式(3)和式(4)编制计算程序，很快可得最小二乘方拟合直线的截距a和斜率k。然后再由式(2)求出各残差δi，其中绝对值最大者即为最小二乘非线性误差。
2、零基准线性拟合直线补偿
　　从校准曲线的最小输出零点电压值出发做一-直线，并要求它与校准曲线之间的最大偏差尽可能的小，校准曲线与该直线的最大偏差称为零基准线性度。
设零基准线性度的拟合直线为:
U=a+kT
　　如果校准曲线上N个测量点，因为拟合直线的起点与校准曲线的起点一致，均为零基准点(T0，U0)，故有:
 
　　将k代入式(5)即可求得。式(8)实际是由零基准点做校准曲线上各均布测试点的各直线的斜率之权重平均斜率。
四、数字化压力变送器补偿效果
　　表1~表3数据展示了使用模拟补偿和上面的数字补偿技术变送器的测试效果。采用麦克传感器公司生产的MPM281-100kPaG压力传感器和PGA309组成的5个样本变送器，其压力输入Pmin=0，Pmax=700kPa，目标输出电压为Vowrmin=0.5V，Vowmax=4.5V。ououtmax采用3个温度点补偿0,20,60℃。
 
　　从表1可看出未补偿的传感器无论零点温度漂移还是满度温度漂移都很大，在80℃时已近达到了2~3%F.S.(参比25℃)。
　　表2显示了利用模拟电路补偿的变送器零点和满度温度漂移仍然比较大，在-10℃~+80℃温度范围内产品温度漂移最大达到了1.2%FS.
　　表3采用了本文介绍的数字化补偿技术，可看出产品的输出精度非常高，并且产品输出温度漂移相当的低，产品在-10℃~+80℃整个温度范围内，温度漂移达控制在0.1%F.S以内。说明该技术很好的降低了变送器输出随温度漂移的问题。
 
五、总结
　　采用数字电路对扩散硅压力传感器进行补偿的方法和技术，可以很好的实现了对扩散硅压力变送器数字化温度补偿，达到了理想的效果。这种技术的核心思想采用了对变送器输出线性拟合的方法，温度段间补偿系数的计算则采用了线性插值的方法，实现对变送器的补偿，从而改善了传感器和电路元件的温度漂移，实现了对扩散硅压阻式压力变送器的数字化温度补偿。这种补偿方法对其它基于桥式原理的传感器的补偿也都具有参考和借鉴意义，在降低产品生产成本、提高产品性能和产品在国际市场竞争力等等都具有非常重要的意义。