压力变送器的零点漂移问题分析

1、前言
1.1研究进展
       压力变送器是一种能把被测量的压力信号按一定规律转换成标准输出信号的现场仪表，常常在高溫、低温、腐蚀、振动、冲击等环境中工作。根据被测介质的压力不同分为:压力变送器，绝对压力变送器,微差压变送器,低、中、高差压变送器,高静压变送器等。目前,在各种自动控制环境，辅助观测仪器、测量与数据采集、检测与控制、资源探测、家用电器、环境保护、医疗卫生等一系列领域广泛地应用。
       所谓变送器的零点漂移是指当放大器的输入端短路时,在输入端有不规律的、变化缓慢的电压产生的现象,即变送器的零点在无外部环境条件影响的情况下,自己变化。这种变化的量是随时在变的,无正确的数值,所以，也不能按“实际值加上零点漂移值”来作为“测量值”。
1.2研究意义
       随着压力变送器使用领域的日益广泛，产品的可靠性在这些应用领域的重视程度越来越高。由于产品复杂的设计因素,包含多种多样新型的生产工艺，可靠性影响存在的不确定因素也.非常多。所以,对压力变送器的研究与应用的关键问题就是如何对压力变送器的可靠性进行相关的研究。为了确保压力变送器测量正确,结果可靠,保证生产安全稳定运行,本文就压力变送器的零漂问题开展分析，从而减少国内自动化控制设备生产企业的生产成本。
2、压力变送器的工作原理及其零点漂移
2.1压力变送器的静态特性
       所谓静态灵敏度，即变送器被测量的数值变化引起的输出变化量。用户可根据变送器的测量范围、抗干扰能力等指标特性进行选择;特别是对传感器中的敏感元件,其灵敏度的选择为关键性指标。
线性度则是指变送器实际的静态特性的校准特性曲线与某一理论参考直线不吻合程度的最大值。传感器的静态特性理论上是一条直线。但是,由于种种原因变送传感器的实测输入/输出关系并不是一条直线。
       所谓的零点漂移，也就是指当变送器的输入和环境温度不变时,输出量随时间变化的现象就是漂移。它是由于传感器内部各个环节性能的不稳定性,或者其内部温度变化所引起的改变,反映了变送器稳定性的一个指标。
2.2压力变送器的工作原理
       压力变送器一般包括感压单元、信号处理和转换单元三个部分，而新的变送器可能还会增加显示单元和具有现场总线功能(图1)。压力变送器按原理可分为电容式、谐振式、压阻式、力(力矩)平衡式、电感式和应变式等。

3、压力变送器的零点漂移问题分析
3.1压力变送器零点漂移的表示
       因为各个生产厂家生产电阻制造工艺的不一致性;因此，温度零点漂移系数也就不是-一个定值。它往往根据当地的温度区间有直接关系。通常将其规定为某个温度范围内零点输出占满量程输出的比例(士百分数)或最大温度零点系数(即零点输出温度变化的最大斜率),一般该系数取值不能超过变送器的精度值。
3.1.1产生零点漂移的原因分析
       此外，还与压敏电阻有很大关系。只有当电阻的掺杂浓度和阻值一致时,才能使电桥的零点输出电压小,零点热漂移也小。但是,扩散时掺杂分布不易做到均匀,因此,它就要求压敏电阻条越接近越好,越短越好。
       弹性体的应力释放不完全。弹性体与膜片选择的材料有关。目前,共有6大类膜片介质,扩散硅、溅射膜、应变片、陶瓷膜、电容膜以及蓝宝石膜片。大多选择陶瓷,是由于它的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40~135C ,还具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV,输出信号强，长期稳定性好。高特性,低价格的陶瓷变送器将是压力变送器的一个主要发展方向。另外,陶瓷压力变送器,没有液体的传递,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥) ,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性,同时与激励电压也成正比的电压信号。
3.1.2零点漂移产生原因的电路分析
       理想的情况下,组成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值应该是相等的。零点温度漂移的产生是由于扩散电阻的阻值随温度变化引起的,在一-定的温度范围内，电阻值随温度的增加而增加，即扩散电阻的温度系数R为正值。
4、压力变送器零点漂移解决途径
       大量研究报道,压力变送器的零点漂移补偿问题,并发表了一系列补偿技术和算法。我们可以将这些补偿技术大致分为硬件补偿和软件补偿两大类。
4.1硬件零点补偿方法
       由于温度是影响压力变送器线性度的主因，零点漂移效应补偿就是利用双惠斯登电桥结构和线性电压激励进行补偿。硬件补偿方法还包括在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法,桥臂热敏电阻补偿法,桥外串、并联热敏电阻朴偿法,双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。
4.2软件零点补偿方法
       在数据信号采集过程中，当触发信号未发生到触发采集以及在采集结束后的这一系列的时间段里;如果输入的信号为0,而输出的信号不为0。这时采集到的输出数据并以随机噪声的形式存在，那么这些数据的处理与分析是毫无意义的,我们就将在这段时间里采集到的数据信号值称之为零点漂移。
(1)多项式拟合规范化法。在实际测量中,压力变送器所测量的温度、压力等物理量不会与输出值呈现出严格的线性关系。因此,其函数关系常常是多项式的形式出现。这些多项式可用于非线性信号的拟合与分析,在这个过程中重点就是求解其各项系数值。
(2) RBF神经网络法。RBF (Radical Basis Function)神经网络法是目前经常用于函数拟合的一种人工神经网络。其基本原理:通常零点温度补偿软件算法中公式法较复杂,切拟合精度常会受到限制。人工神经网络法具有使用的样本数少,算法简单、具有任意函数逼近能力,应用前景良好。
此外，软件法还包括查表法、插值法等,还有一些厂家从传感器本身的特点出发,采用特殊技术,如改变掺杂浓度等,或者采用自校准技术来解决零点漂移的问题但这些方法补偿精度不高。
5、结语
       综上所述,针对压力变送器在使用过程中出现的零点漂移问题,本文就其产生的原因进行分析，提出利用硬件补偿和软件补偿两种技术方法，这两种技术方法均可以实现由温度引起的变送器零点漂移,并且都是行之有效的途径。硬件补偿技术固然重要，有其自制的优势,但是毕竟信息技术在发展,仪器设备微型化、智能化是未来的发展趋势,所以，我们还必须加紧其它补偿方法的研究,尤其是在软件补偿技术层面,诸如神经网络方法补偿等。