压力传感器温度补偿的硬件实现方案

压力传感器温度补偿的硬件实现方案

【摘要】压力传感器广泛应用于各种电子产品中，压力采集的过程都需要将压力信号转换为易传输与处理的电信号，但大多数传感器的敏感元件均采用金属或半导体材料，其特性与环境温度有着密切的关系。而且实际应用中由于压力传感器的工作环境温度变化又较大，这就给测量结果带来误差，所以对压力传感器进行温度补偿是每位工程师必须要采取的措施。温度补偿的方法也根据每款压力传感器的特性及应用场合而不同，本文将根据压力传感器的实际应用介绍一种巧妙的硬件温度补偿方案。并引用实例加以具体说明。

【关键词】压力传感器；硬件温度补偿

1.压力传感器及其温度补偿简介

压力传感器是工程中常用的测量器件，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成，这样的传感器也称为压电传感器。我们了解，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，通常压力传感器输出的微小信号需通过后续的放大器进行放大，再传输给处理电路才能进行压力的检测。其阻值随压力的变化而变化。

大多数传感器的静特性与环境温度有着密切的联系。实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大．又由于温度变化引起的热输出也较大,这将会带来较大的测量误差；继而影响到传感器的静特性，所以设计中必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响。

在传感器的应用中，为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取一系列具体技术措施。称为温度补偿技术。一般传感器都在标准温度(20±5)℃下标定，但其工作环境温度也可能由零下几十摄氏度升到零上几十摄氏度。传感器由多个环节组成。尤其是金属材料和半导体材料制成的敏感元件，其静特性与温度有着密切的关系。信号调理电路的电阻、电容等元件特性基本不随温度变化。所以必须采取有效措施以抵消或减弱温度变化对传感器特性造成的影响。即必须进行压力传感器的温度补偿。

本文将根据压力传感器的实际应用介绍一种巧妙的硬件温度补偿方案。

2.压力传感器的应用电路简介

本压力传感器采用恒流驱动方式，具体电路参见图1

图1

传感器的输出：

V o=Kp*I*[1－KT*(T-25℃)]*P+V off

其中：P:外界压强mmHg或Kpa

Kp:传感器的灵敏系数

I:激励电流mA

KT:传感器的温度系数，一般按满跨度描述

此传感器的应用温度范围5～40℃，压强300mmHg。

因此，KT＝(V(300mmHg,40℃)-V(300mmHg,5℃))/(300*35)

T:温度℃

V off：零压力输出。

注：式中忽略零点温漂。

不考虑零点，并设定V25℃=Kp*I*P①

则表达式变换如下：

V o=[1－KT*(T-25℃)]*V25℃②

由此可见，传感器的温度系数对传感器输出有影响且与其应用环境的温度范围有着密切的联系。

3.硬件温度补偿方案

将式①代入式②得：

V o=[1－KT*(T-25℃)]*Kp*I*P＜br>=[1－KT*(T-25℃)]*Kp*(Vref/Rz)*P ③

在恒流激励电阻Rz位置引入负温度系数的热敏电阻，见图2。

图2

假设：

Rz=K1-K2*T；其中：K1,K2是系数，T是温度℃。

经整理变换得：

Rz={1－[K2/(K1-25*K2)]*(T-25℃)}*(K1-25*K2)

=[1－KT*(T-25℃)]*R25℃④

其中：KT’是恒流激励电阻网络的温度系数；

与上面对比得：

KT’=K2/(K1-25*K2)

R25℃=K1-25*K2

将式④代入式③得：

V o=[1－KT*(T-25℃)]*Kp*(Vref/Rz)*P＜br>=[1－KT*(T-25℃)]*Kp*(Vref/[(1－KT’*(T-25℃))*R25℃]*P＜br>如果KT=KT’,则传感器输出V o=Kp*Vref*P/R25℃⑤

从式⑤可见：传感器的输出是与其温度系数无关的一个值。

所以传感器温度补偿设计的关键就是设计一个温度系数等于传感器温度系数的恒流电阻网络。

4.恒流电阻网络的设计

由传感器参数可知其温度系数为-0.21％SPAN/℃,所选负温度系数的热敏电阻为5K，借助下面的EXCEL来具体说明设计原理：

设计说明：

（1）温度值为压力传感器实际应用的温度范围5℃～40℃

（2）温度对照表中数据：指负温度系数热敏电阻的阻值与温度对照参数，该部分数值来源于所选热敏电阻的规格书

（3）NTC依据公式的阻值：指负温度系数热敏电阻阻值的理论计算值,计算公式为：RT=R*EXP（B(1/T1-1/T2)）,此值用于与热敏电阻规格书提供数据做比对参考。

（4）温度补偿电阻网络总阻值：R=R1+(R2+RT)*R3/( R2+RT+R3)。

（5）理想值（拟合直线的值）：利用EXCEL中的线性拟合功能对温度补偿电阻网络总阻值进行线性拟合并得出线性方程，再根据上表中误差的大小选取适宜的K1和K2。最终确定该理想值。

（6）假设温度补偿电阻网络总阻值为Rtc，理想值（拟合直线的值）为Rn，则误差=（Rtc-Rn）/(Rn5℃-Rn40℃)*100

（7）温度系数KT’=(Rtc40℃-Rtc5℃)/Rtc25℃*100/35设计要点：在满足电阻网络温度系数KT’=压力传感器温度系数KT的前提下，保证误差最小，以此来选取最合适的R1、R2、R3以及拟合直线的K1和K2。

5.总结

以一款压力传感器的实际应用为例，详细介绍了一种温度补偿的硬件解决方案，论文巧妙的设计一个温度系数等于压力传感器温度系数的电阻网络，从而将压力传感器的输出转化为和温度系数无关一个值，完成硬件温度补偿。

【参考文献】

［１］Motorola Pressure Sensor Device Data 2nd Edition．

［２］热敏电阻数据手册．

［３］王明时．医用传感器与人体信息检测，天津科学技术出版社，1985.2．［４］杨玉星．生物医学传感器与检测技术，化学工业出版社，2005.9．