温度补偿的方法

温度补偿的方法：

1 电桥补偿法：采用惠斯通电桥的板桥或全桥电路

优点：简单，方便，在常温下补偿效果好.

缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果

2应变片的自补偿法：

敏感栅丝由两种不同温系数或膨胀系数相反的金属丝窗帘组成，当温度变化时，产生的电阻变化或附加应变为零或相互抵消，这种应变片称自补应变片。调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的相互抵消，通过调节两种敏感珊的长度来控制应变片的温度自补

由于半导体材料对温度十分敏感，压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥型，其有恒流和恒压两种工作方式。假设半导体应变片电阻R t的温度系数为α，灵敏度Ｋ的温度系数为β，加在传感器上的电压为V in，则电阻值、灵敏度随温度改变的表达式分别为：

R T=R0（1+αT）（1）;K T=K0（1+βT）

（2）

则传感器输出为[2]：V out =（△R/R0）V in = K0（1+βT）εV in

（3）

式中，R0—基准温度时传感器的电阻值（初始值）；△R —压力引起的电阻变化；

K0—基准温度时灵敏度；ε—应变系数。

由此式知，压力随温度的改变量和β的随温度的变化相同，具有较大负温度系数，温度系数为-0.002/℃~ -0.003/℃。图1给出了不同掺杂浓度下P型硅片的灵敏度系数随温度变化的曲线[3]。图中，从a 到e 各条曲线对应的掺杂浓度递增。由图可知，P型应变电阻, 无论是轻掺杂还是重掺杂，其灵敏度系数均随温度的提高而逐渐减小。由于各应变片阻值不可能匹配，且应变片的电阻温度系数在0.3%/℃左右，会造成零点漂移电压。

三、温度补偿原理与电路设计

1、零位温漂补偿

压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥形式，其原理如图2（a）所示。由惠斯登电桥原理可知，零位输出电压为：

V out= （4）

则常温下应使R2R4-R1R3=0[3]，得零位输出为0。当外界温度为T 时，电桥零位输出变为：

V out´=（5）

若R2T R4T-R1T R3T>0，则温漂为正；若R2T R4T-R1T R3T<0，则温漂为负。故调节零位漂移的关键是改变R2T R4T或R1T R3T的大小。采用的方法是在R1上串联电阻R m或者在R3上并联电阻R n，分别如图

2(b) 、2(c)所示，则调节R m、R n阻值大小，可达到调节零位输出的目的。R m和R n的阻值可由下面的公式求得。

（1）求串联电阻R m值

由电桥原理，则图2(b)中的输出电压为：

V out´=U （6）

因R1´= R1+R m并令V out´=0，代入（1）式，计算可得：

R m=R4。

（2）求并联电阻R n值理在图2(c)中，

V out´= U（7）

因R3´=，且V out´=0，根据（6）式可得：

R n=。

2、灵敏度温度补偿

用整体电路温补的方法来对灵敏度温漂进行补偿，设计电路如图3所示。图中，A1和A2构成差动放大器，将传感器的输出电信号转变为差动电压，然后由A4作为差动输入单端输出放大器，将电压差信号变为对地输出的电信号。因传感器的输出电压灵敏度漂移具有负温度系数，则用晶体管基极-发射极间电压V be的负温度特性来抵消它。同时，在A4上的负反馈电阻上并联正温度系数的热敏电阻R T，以达到用增益的正温度特性更好的弥补电桥部分灵敏度负温度特性的目的。

3、整体性能设计

由于在零位补偿中，实际传感器的零位输出V out一般不为0V，不符合R2R4=R1R3的假设，故需在图3的处理电路的A4正相输入端接入一个补零位电阻，才可以将零位和温漂一起补回来。调节VP3改变其阻值大小，使输出电压值经跟随器A4输入到A5的反向端，可以消除零点漂移的影响。因流经VP3的电流不恒定，所以转换的电压也很多情况下不恒定，因此必须接入集成运放器A3，以增强传感器性能的稳定性。

在本实验的电路中，集成运放器采用高集成、阻抗高的

LM324，并且差动电压需满足R7/R10=R8/R11，以保证该电路仅放大差动电压。实验中，电源电压为15±10%VDC～20±10%VDC，电

阻阻值的相对偏差≤0.6%，灵敏度温度系数在0.001/℃

~-0.003/℃之间，差动放大器的增益在4倍~100倍之间，过压为1.5倍满程，工作温度在-40℃~80℃之间。

四、实验结果

本实验随机选取3个CYG19T型压阻式压力传感器，并分别记为a#、b#、c#进行温度补偿调试。在不同的实验温度下，对a#、b#、c#零位和灵敏度的温度系数分别作了记录，结果数据如表1。为了补偿计算和验证补偿的有效性，试验应在全温区内取5个以上的温度点数据。根据测试结果，通过上面公式，即可计算有关补偿电路中各元件数值。

五、结论

实验结果表明，笔者设计的新型电路可有效对压阻式压力传感器进行温度补偿，使CYG44型压阻式压力传感器在(-40~60)℃全温区内的热零点漂移与热灵敏度漂移达到了优于±2×10-4的优化补偿结果。并且，该方法简单易行、精度高、调节方便，尤其适用于微型压阻式压力传感器的零位温度补偿，且易实现批量化生产，因此市场应用价值广泛。