扩散硅压力变送器的温度补偿方法

摘要:扩散硅压力变送器具有精度高、稳定性好、响应速度快等优点，但容易受温度影响，导致零点漂移和灵敏度漂移。因此需对扩散硅压力变送器进行温度补偿。本文提出了一种软件补偿方法，首先建立扩散硅压力变送器与温度的高阶温度补偿模型，工控机利用最小二乘回归算法(PLSR)求出压力变送器的温度补偿系数，通过HART通讯把温度补偿系数发送到压力变送器中，压力变送器通过高阶温度补偿模型就可实现对扩散硅压力变送器的温度补偿。
0概述
       扩散硅压力变送器具有精度高、稳定性好、响应速度快等优点，但容易受温度影响，导致零点漂移和灵敏度漂移。测量值和真实值存在着误差，因此温度补偿问题是提高传感器性能的一一个关键环节。目前扩散硅压力传感器主要有两种温度补偿方法:硬件补偿和软件补偿。硬件补偿方法存在调试困难、精度低、成本高、通用性差等缺点，不利于工程实际应用;软件补偿能够克服以上缺点，也逐渐成为研究热点。
       目前软件补偿主要有:查表法、二元插值法、BP神经网络法、小波神经网络方法、曲线曲面拟合方法等4。查表法需要占用很大的内存空间，神经网络方法存在网络不稳定、训练时间较长等缺点，不利于工程应用。本文采用最小二乘回归算法，占用内存少，运算速度快，可提高压力变送器的输出线性度和精度，提高了压力变送器在全温度范围内的稳定性和可靠性。
1温度补偿系统原理
       扩散硅压力变送器的温度补偿系统的硬件控制系统框图如图1所示，图1以两线制带HART通讯的压力变送器为例。工控机通过温度采集板卡采集放到温控箱里温度传感器的温度，并通过GPIB总线对温控箱进行温度调节。气泵、增压泵和压力控制系统为压力变送器提供压力，工控机通过压力检测系统检测气体的压力值，并根据此压力值调节压力控制系统为压力变送器提供稳定的压力源。压力变送器在温控箱里整齐排列，压力变送器接在同-一个压力气源上，压力变送器的供电也连接在一起接到24V供电电源上,HART调制解调器串在24V供电电路里。当温控箱稳定在某-温度下，压力控制系统为压力变送器提供-一个稳定的标准压力，工控机就可以通过HART调制解调器读取温控箱内每个压力变送器在当前温度和当前压力下的压力值。

2温度补偿模型
       通过对扩散硅压力变送器的特性研究和大量的实验数据分析发现，扩散硅压力变送器的压力值随温度变化满足-定的规律5,，基于该规律提出了适用于扩散硅压力变送器的高阶温度补偿模型。
2.1建立高阶温度补偿模型
       扩散硅压力变送器的温度补偿模型如下:

       其中:CP和PT都是具有25个元素的行向量;CPoo~CP44、P测、T和P的含义同式(1)。
2.2获取样本数据:
       在扩散硅压力传感器的工作温度范围内(-35℃~85℃)，每隔一定温度取一个温度点，共m个温度点，并在每--一个温度点下采集压力变送器在满量程范围内的n个压力点的测量压力值，则有m*n个测量压力值。然后通过m个温度值、n个标准压力值、m*n个测量压力值求解高阶温度补偿模型的补偿系数，求出补偿系数后，把补偿系数写到硅压力变送器的存储单元中保存，以实现对扩散硅压力变送器的温度补偿。根据式(2)数据，可得到m*n个关系式:

2.3利用最小二乘回归算法计算压力的温度补偿系数。
       根据式(7)工控机利用软件MATLAB中的函数[CP",CPint,b,bint,stalel-=egres(PT,A,0.05)即可求出温度补偿系数CP。

3温度补偿方法的实现
       把量程为lbar的扩散硅压力变送器放到温控箱中，接通气源为压力变送器提供标准压力。给压力变送器上电，关闭恒温箱。在硅压力变送器的使用温度范围(-35℃~85℃)内每隔10℃选取一一个温度点，共有13个温度测试点(m=13)。在每个温度点分别采集压力变送器在标准压力为Obar、0.5bar和lbar下的测量压力值(n=3)，得到表1补偿前数据。表1中的第--行为温度值，第二行为压力变送器在Obar压力时各个温度下的测量压力值，第三行为压力变送器在Obar时各个温度点的压力满量程误差。第四行为压力变送器在0.5bar压力时各个温度下的测量压力值，第五行为压力变送器在0.5bar时各个温度点的压力满量程误差。第六行为压力变送器在1.0bar压力时各个温度下的测量压力值，第七行为压力变送器在1.0bar时各个温度点的满量程误差。根据表1数据，可以得到矩阵A和pT,根据式CPT=(4)1*pT工控机调用MATLAB中的最小二乘回归算法函数regress,即可求出压力变送器的温度补偿系数CP00~CPu，如表2所示。
        求出温度补偿系数后，工控机通过HART通讯把温度补偿系数传到压力变送器内，根据式(1)可得出此压力变送器的温度补偿模型，表3为此压力变送器采用温度补偿后的数据。
从表1、表3数据可以看出，未进行温度补偿前扩散硅压力变送器的温度漂移很大，在-35℃、压力为lbar时满量程误差为0.81%，而采用高阶温度补偿模型进行补偿后的温度漂移明显减小，在-35℃~85℃的温度范围内，压力变送器的满量程误差为0.07%，扩散硅压力变送器补偿后的满量程精度比补偿前提高了10倍。
       采用了本文介绍的压力变送器的温度补偿技术，,大大提高了扩散硅压力变送器的输出精度，且降低了产品输出温度漂移，产品在-35℃~85℃的温度范围内，温度漂移控制在0.075%以内。
4结论
       采用高阶温度补偿模型，并利用最小二乘回归算法求解高阶温度补偿模型系数的方法实现对扩散硅压力变送器的温度补偿,从而改善了传感器和电路元器件的温度漂移,提高了扩散硅压力变送器的输出精度。在降低产品成本，提高产品性能和产品在国际市场竞争力等方面都具有非常重要的意义。