一种压阻式传感器温度漂移自动补偿试验系统
基于FA-RBF神经网络的压力传感器的温度漂移补偿法
基于FA-RBF神经网络的压力传感器的温度漂移补偿法孙艳梅;刘树东;陶佰睿【摘要】针对温度对硅压阻式压力传感器输出的影响问题,提出基于因子分析和RBF神经网络相结合的补偿方法.利用因子分析实现对原始信息的筛选和降维;结合RBF神经网络的非线性映射、自适应能力和强容错性对补偿过程进行建模,减少网络的输入,利于简化网络结构,进而加快收敛,节省运行时间,提高网络的学习速率与泛化能力.研究结果表明,该方法有效地抑制了温度对压力传感器的影响,提高传感器的稳定性和准确性.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2011(031)007【总页数】5页(P21-25)【关键词】温度补偿;因子分析;神经网络;传感器【作者】孙艳梅;刘树东;陶佰睿【作者单位】齐齐哈尔大学,通信与电子工程学院,黑龙江齐齐哈尔,161001;齐齐哈尔大学,理学院,黑龙江齐齐哈尔,161001;齐齐哈尔大学,通信与电子工程学院,黑龙江齐齐哈尔,161001;齐齐哈尔大学,通信与电子工程学院,黑龙江齐齐哈尔,161001【正文语种】中文【中图分类】TP2121 引言硅压阻式压力传感器在输入压力p数值不变的情况下，当工作温度t变化时将引起传感器输出发生变化.为了消除非目标参量（温度）对传感器输出特性的影响，可采用多种智能化技术[1]，本文结合因子分析（Factor Analysis，FA）和RBF （Radial Basis Function）神经网络的优点，将这两种方法相结合用于压力传感器的温度补偿，并就补偿效果进行了分析和对比.2 因子分析因子分析是从研究变量内部相关的依赖关系出发，把一些具有错综复杂关系的变量归结为少数几个综合因子的一种多变量统计分析方法.对于所研究的问题试图用最少的不可测的所谓公共因子的线性函数与特殊因子之和来描述原来观测的每一分量[2].2.1 因子分析模型一般地，设p个可观测变量（x1，x2，…，xp）与q个公共因子（其中q≤p）满足：此模型称为因子分析模型.若记：则因子分析模型的向量矩阵形式为其中，矩阵A称为公因子载荷矩阵，aij称为因子载荷；F称为公共因子向量；X 为原变量向量；ε称为随机误差.2.2 因子分析模型计算方法为确定因子分析模型，即估计载荷矩阵A，对可观测变量（x1，x2，…，xp）必须获得1个观测样本（xi1，xi2，…，xip），i＝1，2，…，n，以此样本出发估算载荷阵A的估算方法有多种，如主成分法、极大似然法、主因子法等，本文选用主成分法.1）计算（x1，x2，…，xp）的相关系数矩阵R＝（rij）p×p，其中2）计算相关系数矩阵R的特征根，记为λ1≥λ2≥…≥λp≥0.3）确定公因子个数q的值，以前q个特征值的累积百分数≥85%选取公因子个数. 4）计算特征根λ1，λ2，…，λq对应的单位特征向量，记为γ1，γ2，…，γq.5）对特征向量进行规格化，即aj＝，j＝1，2，…，q.6）写出载荷矩阵A，即A＝（a1，a2，…，aq）＝（aij）p×q，至此得到因子分析模型.2.3 因子得分模型一般地，因子得分模型为f＝Bx＋ε，即fi＝bi1x1＋bi2x2＋…＋bipxp＋εi，i＝1，2，…，q.如何估计B＝（bij）p×q是关键问题.SPSS统计软件提供了3种方法：即回归法（Regresson）、巴特莱特法（Bartlett）、安德森－鲁宾法（Anderson－Rubin）[3]，本文采用回归法计算因子得分.这里通过因子分析主要是简化系统结构，排除补偿因子间的相关因素，找出可用于描述系统变量的公因子，作为新的样本为神经网络所用，达到降维的目的.3 径向基函数RBF神经网络RBF神经网络是前馈神经网络中的一类特殊的3层神经网络，是典型的局部逼近神经网络，具有学习快、不会陷入局部最优的优点[4].RBF神经网络是新颖有效的前馈式神经网络，具有较高的运算速度和较强的非线性映射能力，能以任意精度全局逼近某非线性函数.径向基函数网络由3层组成，输入层节点传递输入信号到隐层，隐层节点由类似高斯函数的辐射状作用的函数构成，而输出层节点通常是简单的线性函数.高斯函数的一般表达式为式中，x是n维输入向量；Ri（x）为隐层第i单元的输出；ci为第i个基函数的中心，与x具有相同维数的向量；σi为基函数围绕中心点的宽度，m是感知单元的个数；‖x－ci‖为向量x－ci的欧氏范数，表示x与ci之间的距离.输入层实现从x到Ri（x）的非线性映射，输出层实现从Ri（x）到yi的线性映射.即式中，p为输出节点数；ωij为第i个基函数与输出节点yj的连接权值.2个输入节点，1个输出节点的RBF网络结构如图1所示[5－6].图1 RBF网络结构本文将带遗忘因子的梯度下降法应用于RBF神经网络的参数调整[7].其具体算法如下：其中，J为误差函数；Y（k）代表希望的输出；Y（ω，k）为网络的实际输出；ω是网络所有权值组成的向量.隐层－输出层连接权值矩阵的调整算法为隐层中心值矩阵的调整算法为隐层标准偏差矩阵的调整算法其中，μ（k）为学习率；α（k）为动量因子.4 因子分析径向基神经网络算法的实现步骤1）进行数据预处理时，为了避免量纲不同而带来数据间无意义的比较，故将数据进行标准化处理：其中，Xi和pi为标定值，Ximin和Ximax为温度传感器输出电压标定的最小值和最大值，pimin和pimax为压力标定的最小值和最大值.2）将数据分为验证数据和训练数据.3）对标准化的数据运用SPSS软件进行因子分析.4）运用Matlab软件设计RBF神经网络，并将因子分析后的所得数据通过因子旋转得到的各个公因子得分，作为输入层变量输入神经网络进行网络的训练和仿真. 5）将验证样本通过数据标准化代入训练好的网络进行检验.5 压力传感器温度补偿5.1 传感器标定数据实验采用Honeywell的24PCGF1G型压力传感器，把压力传感器和温度传感器放在恒温槽中，温度分别为8，22，35，50℃共4个温度点，然后测量出不同温度下不同压力标定值的电压测量值[8].压力传感器对应的被测压力为p，传感器的输出电压为Up，在数据测量时，外加2mA的恒流源以激励压力传感器，环境温度由集成温度传感器AD590测定，当温度为t时，用AD590的输出Ut（mV）反映温度t，数据见表1.运用SPSS软件对数据进行因子分析，采用主成分分析方法选取特征值累积≥85%的因子，得到相关矩阵，见表2.因子特征根、方差贡献率和方差累计贡献率见表3. 由表3可知，前2个主成分的累积方差贡献率为97.616%，已超过85%，故提取出了2个主成分，其因子得分系数见表4.表1 传感器标定数据p／（103 Pa）Up／mV Ut／mV 8℃22℃35℃50℃0 29.6 31.9 33.6 34.9 1 405.8 1 475.8 1 540.9 1 615 8℃22℃35℃50℃.8 0.04 28.7 27.7 27.2 30.5 1 394.9 1 463.9 1 528.4 1 602.7 0.06 23.6 25.3 26.7 26.3 1 383.7 1 452.2 1 515.9 1 589.5 0.08 20.3 23.6 24.5 26.2 1 372.1 1 440.0 1 503.6 1 576.6 0.10 17.4 21.0 22.6 22.1 1 360.8 1 427.9 1 490.1 1 563.4 0.1216.1 18.5 20.3 21.9 1 348.9 1 416.1 1 478.5 1550.4表2 相关矩阵VAR00001VAR00002VAR00003VAR00004VAR00005VAR00006 VAR00001 1.000 0.327 0.934 0.986 0.911 0.999 VAR00002 0.327 1.000－0.290 0.310 0.235 0.359 VAR00003 0.934－0.029 1.000 0.918 0.856 0.921 VAR000040.986 0.310 0.918 1.000 0.967 0.985 VAR00005 0.911 0.235 0.856 0.9671.000 0.908 VAR00006 0.999 0.359 0.921 0.985 0.908 1.000表3 总方差解释成分初始特征根特征根方差贡献率／%累积方差贡献率／%提取初始特征根特征根方差贡献率／%累积方差贡献率／%1 4.834 80.559 80.5594.834 80.559 80.055 2 1.023 17.057 97.616 1.023 17.057 97.616 3 0.1432.384 100.00 4 1.8×10－163.1×10－15 100.00 5－4.6×10－17－7.7×10－16 100.00 6－1.3×10－16－2.2×10－15100.00表4 因子得分系数主成份VAR00001VAR00002VAR00003VAR00004VAR00005VAR00006 1 0.199－0.119 0.253 0.202 0.203 0.192 2 0.056 0.923－0.286 0.043－0.013 0.089通过因子分析系数计算数据的因子得分，并将其作为RBF网络的输入项，网络的输入层引入因子分析抽取的2个主成份，共2个节点，每个节点代表样本对应的主成份；输出层用1个节点表示，采用Matlab语言对RBF网络进行设计和训练，选取神经网络的隐层神经元个数为8，目标误差与基函数的扩展常数的取值对网络的拟合和泛化能力有很大影响，训练集的拟合程度低，蕴含的规律无法获取；拟合程度高，则对测试集的泛化能力减弱.初始数据中心、扩展常数和输出权值均由随机函数产生，通过调整网络中的参数，包括隐层节点数、学习速率、遗忘因子和网络权值、隐层标准偏差等，进行网络的训练和测试，采用均方根计算其精度，目标误差为0.000 1，扩展常数的学习率为0.006时结果最好，此时网络的训练精度为0.039%，测试精度为0.048%.温度补偿后的压力输出值如表5所示.表5 FA－RBF神经网络温度补偿效果p／（103 Pa）Up／mV8℃22℃35℃50℃0.05 0.049 2 0.050 6 0.050 9 0.050 7 0.07 0.070 5 0.069 2 0.069 5 0.070 6 0.09 0.090 6 0.089 8 0.090 4 0.089 5 0.11 0.110 6 0.109 5 0.110 3 0.109 9 0.13 0.130 9 0.130 8 0.129 7 0.130 55.2 算法补偿效果分析分别计算压力传感器的零点温漂和灵敏度温漂[9].零点温度漂移：式中，（t1）为室温t1时传感器的零点平均输出值，（t2）为在规定的高温或低温t2保温1h后传感器的零点输出平均值；U（t1）为室温t1时传感器的理论满量程输出，可用实际的满量程输出平均值（t1）代替.灵敏度温度漂移式中，（t1）为室温t1时传感器的满量程输出平均值，（t2）为在规定的高温或低温t2保温1h后传感器的满量程输出平均值[10].计算补偿前性能参数同理，根据表2中的数据，计算出温度补偿后的性能参数α0＝4.37×10－4，α＝5.54×10－4.补偿后零点温度漂移和灵敏度温度漂移都显著提高，减小了温度对压力传感器输出的影响.基于因子分析的RBF神经网络与RBF神经网络相比，它的训练时间要比RBF网络短，而且迭代的次数较少，零点温度漂移和灵敏度温度漂移都显著提高.限于篇幅原因，本文将运行RBF神经网络的补偿结果直接给出，如表6所示，利用因子分析对数据降维，减少了网络的输入，利于简化网络结构，进而加快收敛，节省运行时间.综上，基于因子分析的RBF神经网络算法提高了传感器的稳定性和准确度.表6 RBF神经网络与FA－RBF神经网络比较神经网络平均训练次数平均训练时间／sα0／10－4α／10－4 RBF 16 2.972 5 4.74 6.14 FA－RBF 9 1.732 8 4.375.546 结论针对硅压阻式压力传感器温度漂移问题，提出了基于因子分析和RBF神经网络相结合的补偿方法，并验证了方法的有效性，该方法通过因子分析实现了对原始信息的筛选和降维，既减少数据冗余，又排除相关、重复数据的影响，形成新的训练样本集；结合RBF神经网络的非线性映射、自适应能力和强容错性对补偿过程进行建模，减少了网络的输入，利于简化网络结构，进而加快收敛，节省运行时间，大大提高了网络的学习速率与泛化能力.结果证明，基于因子分析的RBF神经网络有效解决了传感器在大范围环境温度变化情况下静态电压零点漂移和灵敏度漂移的问题，提高了传感器的稳定性.【相关文献】[1] 黄晓因，张悦，张丽莲.压力传感器样本数据更新和数据融合算法研究[J].电子器件，2005，28（4）：882－885.[2] 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压阻式压力传感器硅二极管的负温度补偿
压阻式压力传感器硅二极管的负温度补偿一、引言压阻式压力传感器是一种广泛应用于工业自动化控制和生产过程监测中的传感器。
它通过测量压力对电阻值的影响来实现对压力的测量。
而硅二极管则是一种常见的半导体元件，具有负温度系数特性。
本文将介绍压阻式压力传感器和硅二极管的负温度补偿技术。
二、压阻式压力传感器1. 工作原理压阻式压力传感器采用了电阻应变原理，即当外界施加一个载荷（如压力）时，导致材料发生形变，从而改变电阻值。
这种电阻值与载荷间的关系称为灵敏度，通常用单位载荷下电阻值的变化率表示。
2. 结构和分类根据结构不同，可以将压阻式传感器分为片式、箔式和薄膜式三类。
其中片式传感器结构简单、价格低廉，但灵敏度较低；箔式传感器适用于高精度测量场合；薄膜式传感器具有良好的弹性和稳定性。
3. 应用领域压阻式压力传感器广泛应用于工业自动化控制、汽车制造、航空航天等领域。
例如，在汽车生产中，压阻式传感器可以用于测量轮胎的气压，以确保行驶安全。
三、硅二极管的负温度补偿技术1. 负温度系数特性硅二极管具有负温度系数特性，即在一定温度范围内，其电阻值随着温度升高而下降。
这是由于在高温下，载流子的浓度增加，从而导致电阻值的下降。
2. 负温度补偿原理在使用压阻式传感器进行测量时，由于环境温度的变化会影响电阻值的大小，从而影响测量结果的准确性。
因此需要对环境温度进行补偿。
这里介绍一种利用硅二极管负温度系数特性进行补偿的方法。
将一个硅二极管串联到传感器电路中，在常温下，二极管处于截止状态，不起作用；当环境温度升高时，二极管的电阻值下降，从而产生一个与环境温度相关的电压信号，通过运算放大器进行放大并反向补偿到传感器电路中，从而抵消环境温度对测量结果的影响。
3. 实现方法在实现硅二极管负温度补偿技术时，需要注意以下几点：（1）选择合适的硅二极管：应选用具有较高负温度系数、稳定性好、漏电流小等性能优良的硅二极管。
（2）确定合适的工作点：应根据硅二极管的特性曲线确定合适的工作点，以保证补偿效果最佳。
一种硅压阻式压力传感器温度补偿算法及软件实现-基础电子
一种硅压阻式压力传感器温度补偿算法及软件实现-基础电子摘要：硅压阻式压力传感器的零点温度漂移和灵敏度温度漂移是影响传感器性能的主要因素之一，如何能使该类误差得到有效补偿对于提高其性能很有意义。
通过对硅压阻式压力传感器建立高阶温度补偿模型进行温度误差补偿是一种有效的方法，并在该模型基础上给出了拟合系数计算方法，并用Matlab GUI 软件来实现温度补偿系数计算，进而实现传感器输出的动态温补，达到了很好的输出线性性。
实验结果表明，补偿后传感器输出的非线性误差小于0.5% F.S.0 引言硅压阻式压力传感器利用半导体材料的压阻效应来进行压力测量，以其体积小、灵敏度高、工艺成熟等优点，在各行业中得到了广泛应用。
实际工程应用中由于硅材料受温度的影响，导致零点漂移和灵敏度漂移，因此温度补偿问题是提高传感器性能的一个关键环节。
目前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；利用数字信号处理技术的软件补偿能够克服以上缺点，也逐渐成为研究热点。
目前软件补偿的方法主要有：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。
查表法需要占用很大内存空间，而神经网络方法存在网络不稳定、训练时间较长的缺点不利于工程应用。
在研究各类软件补偿方法的基础上对压力传感器采用建立高阶温度补偿模型进行温度误差补偿，并且在Matlab GUI软件平台下实现高阶温度补偿系数的计算，通过实验对该方法进行验证。
1 高阶温度补偿模型的建立1.1 高阶温度补偿建模压力传感器输出非线性误差主要是由零点温度漂移和灵敏度温度漂移产生，零点温度漂移是由于电阻掺杂不同而导致电阻的温度系数不同，灵敏度温度漂移主要由于压阻系数易随温度的升高而减少。
针对温度对传感器输出影响，采用对零点温度漂移和灵敏度漂移建立高阶补偿模型进行统一补偿，补偿后压力值Press（T ）表示为温度传感器电压输出VT 和压力传感器电压输出VP 的函数：将Press（T ）补偿转换成曲面拟合问题，采用高阶多项式拟合方法构造曲面方程：式中系数矩阵中元素CI,J 是式（2）中VP VT 项对应系数。
压力传感器温度漂移补偿的应用分析
素。
是 温 度 漂 移 的 补 偿 ，在 实 际应 用 当 中 ，压 阻 式 压 力 传 感 器 的 确 面 临 着 温 度 补 偿 问题 。压 阻式 压 力 传 感 器 会 受 到 温 度 的 影
我 们将 这 类 方 法 称之 为 “ 内补 偿 法 ” 。 桥
压 阻 式 传 感 器 在 硅 芯 片 上 扩 散 出 的 四 个桥 臂 电阻 ，一 般
压 传 器其 大 力 感 及 放
部 Ａ转 ／换 分 Ｄ
盖 某及 萎
是 将 其 连 接 成 惠 斯 通 电桥 。为 使 电桥 的灵 敏 度 最 大 ，将 一 对 阻 值 增 加 的 电阻 对 接 ，将 另 一 对 阻值 减小 的 电阻 也 对 接 ，如 图 ３所 示 。在 图 ３所示 的 串 并联 电阻补 偿 法 原 理 图 中 ，其 原 理 在 于 通 过 串并 联 于 桥 臂 上 的 电 阻 来 调 节 电桥 的零 点 输 出 ， 并 使 其 零 点 输 出 随温 度 变 化 而 产 生 的 漂 移 控 制 在 尽 可 能 小 的 范 围 内 。其 中 ，串联 电阻 Ｒｓ主 要 起 调 零 作 用 ，并 联 电 阻 Ｒｐ
话 ，那么软件补偿 比较适合 ，因为软件 补偿 有精确度高 ，成
图 ３ 惠 斯 通 电桥 补 偿 原 理 图
２ 软 件 零 点 补偿 方 法 ．
（） ３ 压力分辨率高 ， 它可以检测 出像血压 那么小 的微压 。
（ ）频 率 响 应 好 ，它 可 以 测 量 几 十 千 赫 的脉 动压 力 。 ４ （） ５ 由于 传 感 器 的力 敏 元 件 及 检 测 元 件 制 在 同一 块 硅 片 上 ， 所 以它 工作 可 靠 ，综 合 精 度 高 ，且 使 用 寿 命 长 。 （ ）由于 采 用 半 导 体 材 料 硅 制 作 ， 感 器 对 温 度 比 较 敏 ６ 传
硅压阻式压力传感器四线制自动补偿验证测试系统设计
本文设计的测试系统，采用四线制压力传感器温度补偿测试的 方案，测试时连接方式如图 2 所示，分别依次单独关闭开关 KR1、 KR2、KR3、KR4，并用万用表 G 测量网络电路阻值 Rk1、Rk2、Rk3、 Rk4，可得桥路电阻阻值。
208
多年来随着测量与控制设备的迅猛发展，使得压力传感器测试 系统的研发更具有多样性，许多生产商自研的测试系统也已经具备 多种测试功能，如何使传感器测试更简单、更有效率，则是所有测 试系统研发者的宗旨。本文设计的压力传感器自动测试系统，避免 了半开桥硅压阻式压力传感器芯体测试时四线制与五线制转换的问 题，把压力传感器温度补偿测试与验证测试，恒流供电验证测试与 恒压供电验证测试等功能集成到一起，真正的实现了一机多用；针 对温度补偿后传感器的验证测试，采用了多路恒流源供电，保证测 试数据的准确性；该系统可根据使用情况和规模，拓展多路测试通 道，实现多通道压力传感器的自动测试功能，是一套适用于压力传 感器批量生产测量工作的自动化设备。
如图 3 所示为转换电路的连接方式。开关 K1-Kn 可控制测试 通道，开关 K1 至开关 Kn 对应第 1 只至第 n 只传感器，测试时只 有一组开关可以闭合，即测试该路通道传感器；开关 KV1-KVn 可为 传感器提供供电或断电，开关 KV1 至开关 KVn 对应第 1 只至第 n 只 传感器，验证测试时所有开关闭合，为传感器通电，温度补偿测试 时无需供电，断开即可；矩阵开关 1-8 可灵活搭配测量传感器桥臂 电阻和电信号输出值，实现压力传感器四线制温度补偿和恒压恒流 验证测试。
压阻式高温压力传感器温度补偿与信号调理设计与测试
计算机测量与控制．２０２１．２９（２） 犆狅犿狆狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾 ·２５６ ·收稿日期：２０２０１１２８； 修回日期：２０２０１２２３。
基金项目：山西省重点研发计划项目（２０１９０３Ｄ１２１１２３）；山西省自然科学基金项目（２０１８０１Ｄ１２１１５７，２０１８０１Ｄ２２１２０３）。
作者简介：薛胜方（１９９５），男，山西运城人，硕士研究生，主要从事ＭＥＭＳ压力传感器的设计及制备方向的研究。
通讯作者：梁 庭（１９７９），男，山西长治人，博士，副教授，主要从事微机电系统（ＭＥＭＳ）技术领域方向的研究。
引用格式：薛胜方，梁 庭，雷 程，等．压阻式高温压力传感器温度补偿与信号调理设计与测试［Ｊ］．计算机测量与控制，２０２１，２９（２）：２５６２６１，２６６．文章编号：１６７１４５９８（２０２１）０２０２５６０６ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２１．０２．０４９ 中图分类号：ＴＰ９８文献标识码：Ａ压阻式高温压力传感器温度补偿与信号调理设计与测试薛胜方１，２，梁 庭１，２，雷 程１，２，李志强１，２，单存良１，２（１．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 ０３００５１；２．动态测试技术山西省重点实验室，太原 ０３００５１）摘要：设计制作了一种集成信号调理电路的高温压阻式压力传感器，包含倒装式的压敏敏片、无源电阻温度补偿电路和信号调理电路组成；压敏芯片的制作采用ＳＯＩ材料和ＭＥＭＳ标准工艺，温度补偿和信号调理电路采用高温电子元件；试验表明，无源电阻温度补偿具有显著的效果；此外，采用了高温信号调理电路来提高传感器的输出灵敏度，通过温度补偿来降低输出灵敏度；与传统的经验算法相比，所提出的无源电阻温度补偿技术具有更小的温度漂移，在２２０℃条件下传感器输出灵敏度为４．９３ｍＶ／１００ｋＰａ，传感器灵敏度为总体测量精度为±２％ＦＳ；此外，由于柔性传感器的输出电压可调，因此不需要使用一般的电压转换器随动压力变送器，这大大降低了测试系统的成本，有望在恶劣环境下的压力测量中得到高度应用。
一种带温度补偿的高精度压力传感器的研制
一种带温度补偿的高精度压力传感器的研制摘要：针对硅压阻式压力传感器的温度漂移现象，研制了一款带温度补偿的高精度压力传感器。
该设计以ATMEGA328P为核心芯片，以LMP90078为模数转换器，以AD5662为数模转换器，整个电路采用工作温度宽、低温漂的元件，并且在软件中采用最小二乘法进行补偿。
实验温度范围为-40℃~125℃，传感器零点（2KPa）输出为0.5V，上限（700KPa）输出为5.5V，经过反复补偿验证，得出该压力传感器的准确度不大于0.5‰，非线性不大于0.5‰。
实验结果表明：该研制能很好的补偿压力传感器的温度漂移，提高传感器的性能及测量准确度。
关键词：压力传感器；ATMEGA328P单片机；温度补偿；最小二乘法0 引言利用硅的压阻效应和微电子技术的硅压阻压力传感器，具有灵敏度高、线性好、过载能力强、便于批量生产等优点。
但由于半导体材料本身和工艺方面的原因，使压力传感器的零点和灵敏度易随温度发生漂移。
零点温度漂移是由于电阻的掺杂不同而导致电阻的温度系数不同，灵敏度温度漂移主要是由于压阻系数易随温度的升高而减小，影响了硅压力传感器的测量精度，限制了它在一些精度要求较高领域的应用，所以硅传感器温度补偿很重要。
传统的温度补偿方法一般利用电阻网络，达到补偿的效果，但这种方法不灵活且补偿精度不高。
软件补偿的方法是将传感器技术与计算机技术相结合，利用软件进行修正，灵活且补偿效果好。
文中提出基于ATMEGA328P微处理器的压力传感器温度补偿系统，整个电路选择宽温区、低温漂的元器件，避免了额外的温度漂移引来的测量误差。
将传感器技术和计算机技术很好的结合起来，利用软件实现非线性补偿和温度漂移补偿，这种方法不但高效，而且补偿精度高。
1压力传感器设计本文提出带温度补偿的压力传感器主要包括以下几个部分：电源模块、电压基准源、压力芯体、恒流源、ADC、温度传感器、DAC、单片机ATMEGA328P、通信接口。
硅压阻传感器的智能温度补偿研究
２ ２年 ４ 月 ０１
传 感 技 术 学 报
Ｃ Ｎ Ｅ Ｊ ＲＮＡ ＥＮ ＯＲＳ Ａ ＨＩ ＥＳ ＯＵ Ｌ ＯＦ Ｓ Ｓ ＮＤ Ａ Ｔ Ｃ ＵＡ ＯＲ Ｔ Ｓ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ４ １２ ．
Ａｐ ． ０１ ｒ２ ２
Ｓ ｌ ｏ ｅ ｏ ｅ ｉｔ ｅ Ｓ ｎ ｏ ’ ｎ ｅ ｌ ｅ ｔＴｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｍ ｐ ｎ ａ ｉ ｎ ｉ ｃ ｎ Ｐｉｚ ｒ ｓｓｉ ｅ ｓ ｒＳ Ｉ ｔ ｌ ｇ ｎ ｍ ｅ ａ ｕ ｅ Ｃｏ ｉ ｖ ｉ ｅ ｓ ｔｏ
会受到环境 因素 （ 要是 温 度 ） 主 的影 响 ， 是存 在 一 总 定的非线性 ， 际传 感器 的输入 和输 出关系可表示 为 实
程， 每一个 温度 点 的补 偿 时 间将 近 １ｈ 补偿 多个 温 ， 度点 将耗 大量 的时 间 。对 多个 传 感 器进 行 补 偿 时 ，
Ａ ｉ ｎ 电压表读 取 。 ｇ ｅｔ ｌ
１６ ． ７￣１ ０“
，
故硅压 阻传感 器 的灵敏度 系数 为 ＝
ｒ ７ Ｅ一７ ． ２ ４～１９ ６ 因此 Ｋ ５ Ｋ ４． ｓ ０ ｏ～１０ ｏ 即硅 压 ０Ｋ ，
阻传感器 的灵 敏度 系数 是金 属应 变计 的灵 敏 度 系数
上位 机通 过 串行 接 口对 ＭＡ １５ 行 操 作 并 Ｘ ４ ２进
ＨＵ ｉ ｏ ｉ ， Ｉ Ｃｈ ｎ Ｇ ａ ｇ ｏ ｇ Ｌａ ｌ ｎ Ｌ Ｕ ｅ ， ＡＩ Ｇｕ ｎ ｈ ｎ
（ ． ｃｏｌｆＭｅｈ ｎｃｌ ｎ ｒ ｉｏ ｓ ｕ ｎ Ｅ ｇｎｅｎ ， ｉ ｎＵ ｉ ｒｔ ｏ ｅ ｎ ｌ ｙ Ｘ ’ １０ ８ Ｃ ｉａ １Ｓｈｏ ｏ ｃａ ｉ ｄＰｅ ｓ ｎＩ ｔ ｍｅｔ ｎ ｉ ｒ ｇ Ｘ ’ ｎｖ ｓｙ ｆＴｃ ｏ ｇ ， ｉ ｎ７０ ４ ， ｈｎ ； ａａ ｃｉ ｎ ｒ ｅｉ ａ ｅ ｉ ｈ ｏ ａ
压力传感器温度漂移补偿的控制电路设计
压 力 传感 器 温 度 漂 移 补 偿 的控 制 电路 设 计
刘新月 ， 吕增 良， 以材 孙
（ 河北工业大学 微 电子所 ， 天津 ３０ ３ ） ０ １ ０
摘 要 ： 介绍了一种压力传感器的温度补偿方法， 这种方法解决了压力传感器温度漂移的问题． 本文详细阐述了一种实用的整
压 阻式 传感 器是 利用 半导 体 的 电阻率 随应 力变 化 的性 质制成 的半 导体 器 件 ， 种 传感 器 是 在 半 导 这 体 材料 的基 片上 ， 采用 集成 电路 工 艺扩 散上 电 阻 ， 并 将 扩散 电阻 直接 作 为 敏感 元 件 ． 压 阻式 压 力传 感 硅 器 的核 心部分 是 一 圆形 硅 膜 片 ， 成 在 硅 片上 的 四 集
维７年 ３月
传 感 技 术 学 报
Ｃ Ｎ Ｅ ＯＵＲ Ｌ ＯＦ Ｓ ＨＩ ＥＳ Ｊ ＮＡ ＥＮＳ ＲＳ ＡＮ ＡＣ Ｏ Ｄ ＴＵＡ ＲＳ ＴＯ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ３ １２ ． Ｍａ ． ０ ７ ｒ２ ０
体补偿电路． 这种 电路是一种 由单片机控制 ， 使用软件补偿 的传感器测量 电路． 在软件上设计了一种对压力传感器非线性及 温度
变化所引起的误差进行补偿的软件算法Ⅲ． 在一定的温度和压力 范围内实现 ０ ２ ． ％的测量精度 ， 完全 可以满足实际的需要．
关键词 ： 压力传感器 ； 温度补偿； 软件补偿； 软件算法 中 图分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ ２２ 文 献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ４ １ ９ （ ０ ７ ０ —５ ７０ １ ０ —６ ９ ２ ０ ） ３０ ６ —３
（ Ｂ ｉ ｎｖ ｒｉ ｆＴｅｈ ｏｏ ｙ， ｉ ｏｌｃｒｎｃ ｓａ ｃ ， ａ ｉ ０ １０ Ｃ ｉａ Ｈｅ ｅ Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｃｎ ｌｇ Ｍ ｃ ｅｅｔｏ ｉＲｅｅｒｈ Ｔｉ ｎ３ ０ ３ ， ｈｎ ） ｔ ｒ
一种压阻式压力传感器全温区温度补偿方法
doi: 10.11857/j.issn.1674-5124.2020050048一种压阻式压力传感器全温区温度补偿方法田青林1,2， 陈红亮1,2， 陈洪敏1， 李 粮1， 闫文吉1(1. 中国航发四川燃气涡轮研究院，四川 成都 610500; 2. 四川天利科技有限责任公司，四川 绵阳 621010)摘 要: 针对压阻式压力传感器因热零点漂移、热灵敏度改变以及热迟滞效应引起的误差，提出一种压阻式压力传感器全温区温度补偿方法。
该方法是在温升和温降全温区样本采集的数据基础上，采用最小二乘法曲面拟合原理对压阻式压力传感器进行数字补偿。
通过对传感器进行实验标定和误差分析，并与常用的单一温升样本采集并进行数字补偿的方法进行对比，结果表明该方法能有效降低传感器因热迟滞效应引入的误差，提高传感器在全温区内标定点和非标定点的测试精度。
同时，该方法校准参数少，计算量相对较小，对于硬件要求较低，达到在性能和成本之间的良好平衡，是一种实用性较强的在线补偿方法，具有较强的工程应用价值。
关键词: 压阻式压力传感器; 温度补偿; 全温区; 最小二乘法曲面拟合; 热迟滞效应中图分类号: TP212；TH812文献标志码: A 文章编号: 1674–5124(2021)01–0049–05A full-temperature-range temperature compensation method forpiezoresistive pressure sensorTIAN Qinglin 1,2, CHEN Hongliang 1,2, CHEN Hongmin 1, LI Liang 1, YAN Wenji 1(1. AECC Sichuan Gas Turbine Establishment, Chengdu 610500, China;2. Sichuan Tianli Technology Co., Ltd., Mianyang 621010, China)Abstract : For errors in a piezoresistive pressure sensor caused by thermal shifts of zero output and sensitivity as well as thermal hysteresis effect, a full-temperature-range temperature compensation method was put forward, which uses least square polynomial surface fitting to compensate piezoresistive pressure sensor based on data acquisition from sampling in a full temperature range including both temperature rise and drop.Through sensor test calibration and error analysis, as well as comparison with the common digital compensation method based on sampling only in temperature rise, it was proved that this method can effectively reduce errors caused by thermal hysteresis effect, and improve the sensor test accuracy at calibration points and non-calibration points in a full temperature range. Meanwhile, this method needs less calibration parameters, less calculation and lower hardware requirements, thus reaching a better balance between performance and cost, making it a more practical online compensation method with quite a value in engineering applications.Keywords : piezoresistive pressure sensor; temperature compensation; full-temperature-range; least square polynomial surface fitting; thermal hysteresis effect收稿日期: 2020-05-09；收到修改稿日期: 2020-07-10作者简介: 田青林（1987-），男，山东聊城市人，工程师，研究方向为航空发动机试验测试技术。
压阻式压力传感器温度补偿方法
压阻式压力传感器温度补偿方法
1. 简单补偿电路，使用一个温度传感器（如热敏电阻或热电偶）来检测传感器的工作温度，然后通过补偿电路对输出信号进行修正。
这种方法简单易行，成本较低，但精度较低。
2. 数字补偿，利用微处理器或专用的数字信号处理器对传感器
输出信号进行实时数字补偿。
通过预先存储的温度-输出特性曲线，
对输出信号进行精确的补偿。
这种方法精度较高，但需要较复杂的
电路和算法支持。
3. 物理补偿，通过选择工作温度范围较小的传感器或者采用特
殊的材料和结构设计，使得传感器本身在一定温度范围内具有较小
的温度漂移，从而减小温度对输出的影响。
这种方法需要在传感器
设计阶段进行考虑，成本较高，但能够获得较好的温度补偿效果。
4. 自校准技术，利用传感器自身的特性，通过内部电路对温度
变化进行自动补偿。
这种方法能够实现较好的温度补偿效果，但需
要传感器本身具有较高的智能化和自适应能力。
总的来说，压阻式压力传感器的温度补偿方法有多种选择，可
以根据具体的应用需求和成本考虑来进行选择。
同时，对于不同的应用场景，还需要考虑到传感器的动态响应特性、稳定性和可靠性等因素。
压力传感器温度漂移补偿的控制电路设计探讨.docx
压力传感器温度漂移补偿的控制电路设计探讨1压力传感出现温度漂移的原因温度因素是影响压力传感器可靠性温度漂移基本，为了完成对压力传感器温度漂的控制，需要合对具体的压力传感器的温度漂移因素进行解读，具体内容如下。
零位温度漂移因素：具体的零位温度漂移，结合上述公式的基本情况，可以完成对造成零位温度漂移因素的分析。
残余气体因素的影响，残余气体的影响，主要体现在一类存在密封参考压力腔的压力传感器中，。
对于简单的压力传感器，则不需要考虑气体的影响[1]。
对于零位温度的漂移因素，还需要的对桥臂电阻的差异性引起的温度漂移进行分析，这类温度漂移的主要是由于四个电阻值的差异引起的温度漂移或是由电阻所处于的位置膜厚度不均匀引起温度漂移。
灵敏度漂移原因：灵敏度漂移是影响压力传感器测量精度和可靠性的重要因素，造成压力传感器灵敏度漂移的因素较多。
通过查阅相关文献资料，可得到压力传感器的灵敏度与压阻系数之间是存在明显联系，且二者之间呈现正相关的联系，而压阻是温度的函数。
通过上述结论，展开分析可以得到电阻系数会受到的温度变化的影响，导致压力传感器出灵敏度漂移。
2压力传感器温度漂移的现有补偿方法分析压力传感器温度漂移是影响压力传感器测量禁锢的关键，故此，针对的压力传感器的温度漂移，需结合具体原因，选取适宜的补偿方式实现对温度漂移的控制。
现阶段，常见温度漂移补偿方式可以分为内部补偿和外部补偿两种方式，具体补偿方式为。
（1）内部补偿。
这类补偿方式较为适用于零位温度漂移的情况，可以实现对零位温度漂移的控制。
以硅桥式压阻压力传感器为例，具体的内部补偿方式主要是控制扩散电阻阻值和扩散电阻温度系数不一致，促使其在不加压情况下，可以满足输出不为零，并随着温度变化。
故此，针对内部补偿，主要是通过改善内部结构的方式，达到增加扩散电阻的对称性的目的。
并借助控制材料特性的方式，可以选择掺杂的方式，促使压力传感器在温度变化的环境下，可以始终保持稳定的状态。
压阻式压力传感器的热零点漂移问题的研究
压阻式压力传感器的热零点漂移问题的讨论压阻式压力传感器零点漂移的表示，由于压敏电阻制造工艺的不一致性，因此温度零点漂移系数不是一个定值，它在不同的温度区间有不同的值。
通常也可以规定为某个温度范围内零点输出占满量程输出的比例（%）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传感器精度值。
零点热漂移产生原因的半导体理论分析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，这对提高传感器的性能非常有利。
但是扩散时掺杂分布不易做到均匀，因此要求压敏电阻条越接近越好，越短越好。
零点热漂移产生原因的电路分析理想情况下，构成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值应当是相等的。
零点温度漂移的产生是由于扩散电阻值随温度变化引起的。
在肯定的温度范围内，电阻值随温度的上升而加添，即扩散电阻的温度系数R 为正值。
热零点漂移的补偿技术从整体上来分，压力传感器的零点漂移补偿可分为硬件补偿和软件补偿两大方向。
硬件零点补偿方法对压力传感器而言，硬件补偿方法有在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法，桥臂热敏电阻补偿法，桥外串、并联热敏电阻补偿法，双电桥补偿技术，三极管补偿技术等。
软件补偿零点漂移方法在信号采集过程中，在触发信号未发生到触发采集以及在采集结束后的这些时间段里，输入的信号为零，输出的信号不为零，这种采集到的输出数据以随机噪声的形式存在，对于数据的计算与处理是没有意义的。
我们定义这段时间里采集到的信号值称之为零点漂移。
所实行的软件方法有：多项式拟合规范法。
由于在实际测量中，压力传感器所测量的温度、压力等物理量不会与输出值是严格的线性关系，因此其函数关系常是多项式形式。
多项式可用于非线性信号的拟合，关键在于求解其各项系数：RBF神经网络法。
基本原理：通常零点温度补偿软件算法中公式法比较多而杂，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、具有任意函数接近本领、应用前景良好。
一种压控振荡器及温漂补偿方法
一种压控振荡器及温漂补偿方法
一种常见的压控振荡器是基于压电效应的压控振荡器（VCO）。
以下是一种基本的压控振荡器及温漂补偿方法：
1. 压控振荡器主要由振荡电路和压控电路组成。
振荡电路通常由一个LC谐振电路或RC振荡电路构成。
压控电路用于调节振荡电路的频率。
2. 压控电路的核心是一个压电器件，如压电陶瓷，它能够根据外部施加的压力来调节电路的频率。
当施加不同的压力时，压电器件会产生不同的电荷量和电位变化，从而改变振荡电路的频率。
3. 为了补偿温度对振荡电路频率的影响，可以增加一个温度补偿电路。
温度补偿电路通常由一个温度传感器和一个反馈控制回路构成。
4. 温度传感器用于监测环境温度的变化，并将变化的温度信号转化为电信号。
这个电信号被反馈控制回路接收并处理。
5. 反馈控制回路通过与温度传感器的信号进行比较，来调整压控电路的控制信号。
比如，当环境温度升高时，温度传感器会发出一个高电压信号，反馈控制回路会相应地减小压控电路的控制信号，以抵消温度升高对振荡电路频率的影响。
6. 通过这种反馈控制回路的作用，可以实现对温度的补偿，使压控振荡器在不同温度下能够输出稳定的频率信号。
需要注意的是，以上是一种常见的压控振荡器及温漂补偿方法的基本原理，具体实现方式可能会有一些差异。
不同厂商和应用场景下可能会采用不同的设计方法来实现压控振荡器及温漂补偿。
压力传感器零点温漂的两种补偿方法比较
压力传感器零点温漂的两种补偿方法比较吴峰【摘要】压阻式压力传感器在实际应用中普遍存在零位偏离和零位温度漂移现象，这就降低了传感器的测量精度，因此需采取适当的补偿方法对这两种现象产生的误差进行修正，从而提高测量精度。
文中分别通过电桥臂一串一并的硬件补偿方法及基于规范化多项式拟合算法的软件补偿方法同时实现平衡零位与补偿零位漂移。
由模型推导分析及实验最终得出，通过规范化多项式计算方法拟合出的数据精度较高，补偿效果好于一串一并的硬件补偿方法。
%Zero drift and zero temperaturedrift generally exist in practical application of piezoresistive pressure sen-sors,which leads to loss of measuring accuracy ofsensors.Therefore,appropriate compensation method needs to be adopt-ed for error correction,thus improving measuring accuracy.The paper provides two methods to achieve null balance and compensate zero drift simultaneously,the hardware method of bridge arm in series and parallel and the software method based on normalized polynomial fitting algorithm.According to model analysis and deduction as well as experiments,statis-tics obtained through normalized polynomial fitting algorithm shows higher accuracy and better compensation effect than the hardware compensation method of bridge arm in series and parallel.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】3页(P45-47)【关键词】压力传感器;温漂补偿;多项式拟合【作者】吴峰【作者单位】中煤科工集团上海研究院，上海 201400【正文语种】中文【中图分类】TP212压阻式压力传感器以其灵敏度高、动态响应好、性能可靠、精度高、功耗低、易于微型化与集成化等优点被广泛应用于工业生产的各个领域，其误差也直接影响到测控设备的性能。
电子束偏放输出温度漂移的自动补偿
电子束偏放输出温度漂移的自动补偿
尹明;孙晓军
【期刊名称】《微细加工技术》
【年(卷),期】1999(000)001
【摘要】分析了ＳＤＳ－２多功能电子束扫描系统输出温度漂移的主要因素，经过理论分析提出了一种减少温度漂移的有效方法，实验表明此方法有很好的温度漂移的自动补偿。
【总页数】5页(P39-43)
【作者】尹明;孙晓军
【作者单位】山东工业大学电子束科研室;山东工业大学电子束科研室
【正文语种】中文
【中图分类】TN146.01
【相关文献】
1.一种压阻式传感器温度漂移自动补偿试验系统 [J], 马明前;谢日阳;陈士清
2.输出信号变化率的电压温度自动补偿 [J], 刘全盛
3.SDS—2型电子束曝光机偏放系统的抗干扰改造 [J], 张明;张玉林
4.电涡流传感器温度漂移的自动补偿 [J], 方秋华;茅佩;田新启;高
5.电涡流传感器温度漂移的自动补偿 [J], 方秋华;茅佩田;新启高
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无人机传感器技术 压阻式加速度计-测量原理与温度补偿
压阻式加速度计-测量原理与温度补偿
2.测量原理
在膜片上布置如图2-15所示的4个等值电阻。
利用纵向应力σr ，其中两个电阻R 2、R 3处于r <0.635r 0位置，使其受拉应力；而另外两个电阻R 1、R 4处于r >0.635r 0位置，使其受压应力。
图2-15 膜片上电阻布置图
只要位置合适，可满足
44113322R R -R R -R R R R ∆=∆=∆=∆ (2-38)
这样就可以形成差动效果，通过测量电路，获得最大的电压输出灵敏度。
3.温度补偿
压阻式传感器受到温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。
这是因为，在压阻式传感器中，扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的零位漂移。
当温度升高时，压阻系数减小，则传感器的灵敏度要减小；反之，灵敏度增大。
零位温度一般可用串联电阻的方法进行补偿，如图2-16所示。
图2-16 温度补偿电路
串联电阻R S主要起调零作用，并联电阻R p则主要起补偿作用。
例如，温度上升，R2的增量较大，则A点电位高于C点电位，V A-V C就是零位漂移。
在R2上并联负温度系数的阻值较大的电阻R p，则可约束R2变化，从而实现补偿，以消除此温度差。
当然，如果在R3上并联一个正温度系数的阻值较大的电阻也是可行的。
在电桥的电源回路中串联的二极管电压是补偿灵敏度温漂的。
二极管的PN结为负温度特性，温度升高，压降减小。
这样，当温度升高时，二极管正向压降减小，因电源采用恒压源，则电桥电压必然提高，使输出变大，以补偿灵敏度的下降。
压阻式压力传感器
第二节 压阻式传感器 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。
半导体材料的这种效应特别强。
利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。
压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。
频率响应高，体积小。
它主要用于测量压力、加速度和载荷参数。
因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
1. 基本工作原理根据式（2－3） 式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为(2－22) 式中为沿某晶向的压阻系数，σ为应力，为半导体材料的弹性模量。
如半导体硅材料，,，则，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数 (1＋2μ)大很多。
可近似认为。
半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。
其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。
由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。
所谓晶向，就是晶面的法线方向。
晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。
1．截距法 设单晶硅的晶轴坐标系为x、y、z，如图2－29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t(2－23) 1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c，这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈a b c〉，某数（如a）为负数则记作〈b c〉。
例如图2－30(a)，截距为－2、－2、4，截距倒数为－、－、，密勒指数为〈1〉。
图2－30(b)截距为1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为〈1 1 1〉。
图2－30(c)中ABCD面，截距分别为1、∞、∞，截距倒数为1、0、0，所以密勒指数为〈1 0 0〉。
基于MAX1452的压力传感器校准系统摘要
基于MAX1452的压力传感器校准系统设计摘要针对硅压阻式传感器存在的稳定漂移误差和输出信号的非线性提出了MAX1452温度调理芯片进行补偿的方案。
本设计描述了系统结构、功能、数据传输及软件实现，描述了温度补偿系统的整体架构，着重阐述了MAX1452的补偿原理以及对传感器的补偿过程。
利用C语言对上位机软件进行编程，实现对核心补偿器件MAX1452的可视化操作与控制。
通过最小二乘法进行曲线拟合，得到温度漂移补偿数据。
测试结果表明可以使传感器经过补偿以后，在-40～80℃的温度范围内输出的信号与压力有良好的线性关系。
关键词：硅压阻式传感器，温度误差，MAX1452，温度补偿Design of Compensating Silicon Piezo resistiveSensor’Error based on MAX1452AbstractThe stability of nonlinear drift error and the output signal for silicon piezo resistive sensors, the MAX1452 temperature conditioning chip compensation program. Describes the system structure, function, data transmission and software for this design, describes the overall structure of the temperature compensation system, focusing on the MAX1452 compensation principle and the compensation of the sensor. The use of C language programming on the PC software, operation and control of the visualization core compensation device is the MAX1452. By the method of least squares curve fitting to get the temperature drift compensation data. The test results show that the sensor is after the compensation, the output signal in the temperature range of -40 ~ 80 °C and pressure have a good linear relationship.Key Words：silicon piezo resistive sensor，temperature errors，MAX1452，Temperature compensation。
硅压阻式传感器智能补偿与标定系统的研究
摘要近年来，污水处理行业自动化水平的快速提高，使污水处理厂的自动控制系统已成为污水处理稳定运行的关键。
而PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业控制中得到了越来越广泛的应用。
本文介绍了基于PLC污水处理控制系统的工艺及相关流程，控制系统硬件结构及设计、工作原理以及设计PLC控制系统的基本原则和步骤，来说明PLC在污水控制系统中的应用，并通过研究设计一套基于PLC控制的污水处理系统和介绍了在系统实施中遇到的若干问题及其解决措施。
在污水处理中采用PLC控制系统改造后，保证了污水处理厂自动控制系统及污水工艺设备的安全运行，提高了污水处理的自动化控制水平和管理水平，实现了污水处理厂生产管理的科学性。
关键词：污水处理；PLC；自动化控制系统,AbstractPiezoresistive pressure sensor always faces all important problem of temperature compensation which restricts its applications because of temperature influence Oil sensor’s sensitivity and measurement precision. Therefore, it is a significant project to research temperature compensation for piezoresistive pressure sensor.First of all, state of arts on this topic is reviewed. Some compensation methods are analyzed and their principles are then summarized. The technology about modem signal conditioning which will be used in this paper is also introduced.The smart sensor for measuring pressure designed in this paper has the advantages of small size, low cost, higher performance and response speed, and higher level of intelligence. After debugging the software and hardware of the smart sensor through emulation, the result shows that its performance is perfect. So we expect that the smart sensor can have broad future applications in many measuring and controlling systems for pressure.Key words：piezoresistive pressure sensor; temperature compensation; MAX1457目录第1章概述 (1)1.1引言 (1)1.2设计目的及其意义 (2)1.3传感器的发展状况 (3)第2章压阻式传感器 (4)2.1传感器的定义与作用 (4)2.2传感器的特性 (5)2.3压阻式传感器的基本原理 (6)2.4压阻式传感器的特点 (7)2.5压阻式传感器的温度补偿 (8)2.6本章小结 (11)第3章硬件设计 (12)3.1补偿与标定系统的框图 (12)3.2MAX1457电源电路 (12)3.3并口通信电路 (13)3.4压阻式压力传感元件 (15)3.5串行通讯的实现 (17)3.6本章小结 (18)第4章软件设计 (19)4.193C66的操作 (19)4.293C66的管脚描述 (19)4.393C66的工作模式 (19)4.4MAX1457开发系统设计 (23)4.5MAX1457补偿步骤 (24)4.6本章小结 (26)第5章性能测试 (27)5.1测试内容 (27)5.2测试结果 (27)5.3本章小节 (29)结论 (30)参考文献 (31)致谢 (32)第1章概述1.1 引言硅压阻式传感器是一种广泛应用于工业生产、国防建设和航天测量的基本部件。
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系统结构
与传统测量装置相比， 本系统需要一个可程序控
制的恒温试验机， 其用来代替恒温炉， 以充分开发计算 机资源， 提高效益。本系统是一个典型的计算机数据 采集处理系统， 主要由两部分组成： 用单片机构建的数 据采集卡及上位机 （ ./） 数据处理系统。 / "/ 硬件构造
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万方数据
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引言
在进行压力、 加速度硅传感器的特性测定实验时
。由于压阻式 度特性的一个特征系数， 即温度系数 ! 扩散硅传感器在生产时， 在工艺上不可能做到按某一 确定的温度系数来生产扩散电阻， 这样就必须对每个 传感器进行单独标定。如果这类产品要进行 批量生 产， 那么扩散电阻的温度特性标定的工作量将非常巨 大。我们的 “传感器温度补偿的信号测量系统” 就是为 解决传感器桥臂电阻的温度特性测定而研制的， 该系 统使得扩散电阻的温度特性的标定工作和计算补偿电 阻的运算变得非常简单。
53BC54 4?6? ?AG@B7B6B21 A?34 B7 B16324@A54 " H:5 7D765= B7 ?<85 62 =5?7@35 ;B5C2357B76?1A5 63?174@A537 B1 <?6A: G@?16B6D ?14 ?@62=?6BA?88D A?8A@8?65 65=;53F ?@635 A25>>BAB516 ?14 A2=;517?6B21 357B76?1A5 " H:5 A2=;27B6B21，:?34I?35 763@A6@35，?14 72>6I?35 A?8A@8?6B1E ;3B1AB;85 ?35 ;35751654 A21A35658D " H:5 35F 7@867 2> 7D765= B=;85=516?6B21 ?35 EB951 " ()* +,%-# .B5C2F357B76?1A5 63?174@A53 H5=;53?6@35 43B>6 H5=;53?6@35 A2=;517?6B21
可以看出， 无论是在扩散电阻上串联还是并联固 定电阻 （温度对该电阻几乎没有影响） 后， 都会降低电阻
图! 硬件原理流程图
温度系数。补偿电阻可有三种接入方法： 在两个桥臂上 并联； 在两个桥臂上串、 并联； 在两个桥臂上串联。 （7） 分析可得： 综上所述， 由式 （!） @式 当$ 应在 !! 或 !7 上串、 并联电 ! >$ 7 A$ * >$ < 时， 阻， 以减少其温度系数； 应在 !* 或 !< 上串、 并联电 当$ ! >$ 7 B$ * >$ < 时， 阻， 以减少其温度系数； 当 !! ・!7 A !* ・!< 时， 应在 !! 或 !7 上并联电阻， 在 !* 或 !< 上串联电阻； ・!7 B !* ・!< 时， 应在 !! 或 !7 上串联电阻， 当 !! 在 !* 或 !< 上并联电阻。 按前面所示的补偿电阻接入方式， 共有 : 种并联， 并联和 : 种串联连接方式。 !* 种串、 当选好接入方式后， 补偿电阻的接入位置可以用 以下判别因子的组合进行判断：
’* ?
如在选 择 用 并 联 接 入 补 偿 电 阻 的 方 式 时， 若有 则应在 !! 和 !* 上并联 * 个补偿电 ’) B ’! 且 ’: A ’* ， 阻， 如图 <C 所示。
图< 图 *
补偿电阻的三种接入方式
经推导计算， 可以得到补偿电阻的计算公式。如 （!） （*） 在桥臂上采用串、 并联的方法进行补偿时， 补偿电阻的 一般计算式如下： 并联 % 相对桥臂上串、
（安徽工业大学电气信息学院! ， 马鞍山 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 ， 上海 $)))#)；
摘
要
对压阻式传感器的温度补偿问题， 介绍了一种由单片机控制的数据采集卡与 ./ 构成的压阻式传感器批量测量及温度系数 压阻式传感器 温度漂移 温度补偿
和补偿电阻自动计算系统。具体介绍系统的构成、 硬件构造和软件计算原理。给出系统实验结果。 关键词 !"#$%&’$ 01 23453 62 3572895 6:5 ;32<85= 2> 65=;53?6@35 A2=;517?6B21 >23 ;B5C2357B76?1A5 63?174@A537，? 7D765= A2=;2754 2> ./ ?14 7B1E85 A:B; A2=;@6F
则有
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$" ・ $# " ( ) $& $% ・ !$
并联 ! 相邻桥臂上串、 设中间变量 !$ ， 且令 !$ " 则有
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发现， 环境温度的变化使得传感器的零点发生漂移， 致 使传感器的精度大大下降。为此， 采取了大量措施对 传感器的温度性能进行补偿， 以实现对零点漂移的补 偿。解决压阻式压力传感器的温度补偿问题， 目前已 有许多方法， 用得最多的是采用低温度系数的铜丝或 镍丝电阻对电桥的两对桥臂进行串、 并联补偿， 但是这 些方法的运算很繁琐， 易出错， 不简便。 如何测定桥路上的扩散电阻的温度特性既是这种 补偿方法的重点， 也是难点。传统的方法是， 把传感器 放在恒温炉中加热， 用欧姆表读出桥路的电阻值， 然后 分别在某一恒定温度 （如 $)J ， 等温度 ()J 及 +)J 等） 指示稳定后读出此时扩散电阻的阻值， 并以温度为横 座标， 电阻为纵座标， 绘制出扩散电阻的电阻— — —温度 特性曲线， 通过研究该特性曲线， 得到反映扩散电阻温
!
试用实验
用该系统对一个压阻式压力传感器进行零点温度
补偿， 设定温度测量点为 !15 ， 并对可程 415 和 /15 ， 序控制的恒温器设定相应的恒温程序。传感器桥臂电 阻的实测数据以及系统给出的补偿方案分别列于表 ! 和表 $。
表"
+65 !1 9 : 41 9 ! /1 9 < 温度系数# （ > !1 % 4 ） $! ;;/$ 9 < =!$; 9 1 =;/: 9 $ $ 9 </!4
$% ・ $% !$ ) $& ( $#& !$ ( $% ! ) !$
式中： $*! 为相对桥臂上串联的补偿电阻； $*$ 为相邻桥 臂上串联的补偿电阻； $’! 为相对桥臂上并联的补偿电 阻； $’$ 为相邻桥臂上并联的补偿电阻； $% 为待并桥臂 上的电阻； $#% 为待并桥臂对臂上的电阻； $& 为待串桥 臂上的电阻； $#& 为待串桥臂对臂上的电阻； $" ， $# " 为 待串桥臂相邻两臂上的电阻； !% ， !& ， !" 为补偿前各对 # # # 应电阻的温度系数； !% ， !& ， !" 为补偿后各对应电阻的 温度系数。
《自动化仪表》 第 01 卷第 2 期 探讨。
参考文献
!
0..3 年 2 月
计 （一） （!!） ： " 自动化仪表， !##&， !’ () * (% ( 孙淮清 “流量测量方法和仪表选用” 讲座 " 第 !) 讲 " 计 （二） （!$） ： " 自动化仪表， !##&， !’ %+ * %# 插入式流量
该芯片是 +", - )! 系列产品 "#$ 选用 %&’(")*， 之一， 内置 ’. 字节的可编程程序存储器和电可擦除只 读存贮器， 为电路设计和编程带来了方便。为防止传 感器发热量过大， 恒流源应设置比较小的值， 本系统取 稳定度为 ! 2 !/ - ) 。考虑到系统的测量精度 / 0!*1%， 高 （最大测量误差不超过 /0/*3 ） ， 采用四线制接线法， 并用高精度的标准电阻 （!/4! 5 !!） 对测量电路系统 进行自较准， 以消除器件本身或系统的增益和偏移误 信号 输 入 通道 采 差； 温度传感器用 #6!/// 铂热电阻， 用多路复用一个高精度的 *7 位的 " - # 定时巡回 % 8 9， 检测采样信号， 共有 :7 路 （最多可以扩展到 *): 路） ， （最多可达 :7 个） 。 采集卡 即每批可测定 !: 个传感器 通过计算机串行标准接口 ;, - *<* 与上位机进行通信。 ! =" 上位机软件数据处理原理 上位机进行数据处理用的补偿方法的原理是， 当 温度改变时， 电桥上各个桥臂的电阻也是改变的， 但是 它们改变的幅度是相等的， 这样不管环境温度如何变化， 各个桥臂电阻的阻值同等变化。这样， 电桥在动态变化 中仍然能够保持平衡， 该方法也被称为 “动态补偿法” 。 扩散电阻的 7 个扩散电阻组成如图 * 所示的桥路， 阻值分别为 !!， 各电阻的电阻温度系数分 !*， !< 和 !7， 别为$ 且在设计温度点附近一定的温度范 $ $ !， *， < 和$ 7， 围内是近似常数。电桥平衡的条件应有以下 * 个：
程达 " 流量计结构使用维修和检定 " 北京： 中国石油天然气管道 局， !##$ 朱德祥， 等 " 流量仪表原理和应用 " 上海： 华东化工学院出版社， !##$ 孙淮清 “流量测量方法和仪表选用” 讲座 " 第 # 讲 " 插入式流量
$
收稿日期： $))$ , )% , )&。 第一作者屈敏， 男， 工程师； 从事 !#&! 年生， !##’ 年毕业于南京大学， 炼油厂计量仪表及系统的应用、 检定和维修工作。