压力传感器零点漂移的解决方法浅析

压力传感器零点漂移的解决方法浅析

【摘要】压力变送器在工业现场是重要的检测传送装置，而基于扩散硅的压力传感器由于自身的精度高、灵敏度高、稳定性好、线性度优良、反应迅速、迟滞性小等特性优势，以及价格低廉等市场优势，使其在近30年中得以快速发展，并广泛应用于工业冶金、航空航天等众多领域。目前多数压力变送器的研发者倾向于利用压阻式扩散硅压力传感器作为信号的传送环节。但是由于技术等多方面限制，压阻式压力传感器易受现场温度变化的影响，从而产生零点漂移。而多数的制造厂商不能生产没有零点漂移的传感器，这就需要我们对压力传感器的零点漂移进行研究及温度补偿。

【关键词】压力变送器；扩散硅压力传感器；零点漂移；补偿方法

1 绪论

1.1 变送器发展现状

变送器作为重要的基础自动化仪表被广泛应用于工业现场的传送与检测过程。回顾变送器的发展历程，大致经历了以下几个阶段：（1）起初生产的变送器工作原理是大位移，这一时期的变送器的精确度很低，而且重量较大。（2）进入上世纪50年代产生了基于力平衡的差压变送器，这种变送器比大位移式变送器精确度要高，但是存在易受现场干扰等技术缺点。（3）第三个阶段出现的变送器其特点是采用新型的材料，比之上几代的变送器精确度得到了改善。（4）到了20世纪90年代，随着电子技术的迅猛发展，变送器的技术性能得到极大提高，并向智能化方向发展。

1.2 国内外压力传感器发展现状及发展趋势

相对于国外，我国对压力传感器的发展起步较晚，较之美国、日本、德国等老牌电子产业大国，我国压力传感器不论从性能还是水平，都有一定的差距。从目前各个国家的研究情况及市场需求来看，压力传感器的发展主要集中在以下几个方面：（1）着重研发适用于高温作业的压力传感器：这类传感器以新型半导体材料为膜片的压阻式压力传感器为代表。（2）以微机械加工为特点的压力传感器得以发展：这一类压力传感器有着较高的线性度，通常制作成微型、甚至是超微型传感器并广泛应用于医学领域的器官数据采集中。（3）以热零点漂移为代表的补偿问题受到关注：在传感器的应用过程中，一直存在传感器的线性度等受到温度影响而发生漂移的问题。未来的传感器发展的趋势必定是朝着“五化”前进，即小型化、集成化、智能化、系列化、标准化。

2 压力传感器的工作特性及其零点漂移

2.1 压阻式压力传感器的静态特性指标

压力传感器主要有以下几种静态性能指标：（1）静态灵敏度传感器被测量的单位变化量引起的输出变化量称为静态灵敏度，是重要的性能指标。它可根据传感器的测量范围、抗干扰能力等进行选择；特别是对传感器中的敏感元件，其灵敏度的选择尤为关键。（2）线性度，理论上来说，传感器的静态特性是一条直线，但实际上，由于种种原因传感器的实测输入/输出关系并不是一条直线，因此传感器实际的静态特性的校准特性曲线与某一参考直线不吻合程度的最大值就是线性度。（3）零点漂移，当传感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不稳定，或内部温度变化引起的，是反映传感器稳定性的指标。

2.2 压阻式压力传感器的工作原理分析

利用压阻式变换原理可以制成压敏电阻，压敏电阻可以感受物体受力时产生的应变力。应变力让压敏电阻的阻值发生变化，通过电桥进一步将电阻变化转化为电压或者电流的变化。利用压阻式变换原理制成的传感器即为压阻式传感器。半导体材料的压阻效应：当固体受到作用力后其电阻率会发生变化，这一现象称为固体的压阻效应。用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，扩散型硅压力传感器运用的正是这种效应，在半导体材料中的应变系数远大于金属片的应变系数，而且其应变系数的变化主要是由电阻率的相对变化引起的。压阻式压力传感器主要优点是：压阻系数很高，分辨率较高，动态响应好，但其最大的缺点就是压阻效应的温度系数大，存在较大的温度误差。

2.3 压阻式压力传感器的热零点漂移问题的研究

2.3.1 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（±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传感器精度值。

2.3.2 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十分有利。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。

2.3.3 零点热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。

3 压力传感器热零点漂移的补偿技术

关于压力传感器的零点漂移补偿问题，国内外学者已经做了大量研究，并发表了一系列补偿技术和算法。从整体上来分，可以分为硬件补偿和软件补偿两大方向。下面分别就这两个方向的代表性方法做简单介绍。

3.1 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。

3.2 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。

3.2.1 多项式拟合规范化法

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。

3.2.2 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，效果远没有上述三种方法好，因此这里就不一一列举。

4 结论

总的来说，上述硬件补偿、软件补偿方法，均可实现温度引起的传感器零点漂移，都是行之有效的途径。但较国外发展情况来看，我们做的还远远不够，前方的路还很长。借鉴国内外传感器生产厂家零点补偿、零点温度补偿工艺，积累经验，自主开发研制。硬件补偿固然重要有其优势所在，但毕竟信息技术在发展，仪器设备微型化、智能化是不言而喻的大趋势，所以我们必须加紧其补偿方法的研究，尤其是在软件补偿方面，利用神经网络方法补偿更显得尤为重要。