擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償方法

摘要:擴(kuò)散硅壓力變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但容易受溫度影響，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。因此需對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文提出了一種軟件補(bǔ)償方法，首先建立擴(kuò)散硅壓力變送器與溫度的高階溫度補(bǔ)償模型，工控機(jī)利用最小二乘回歸算法(PLSR)求出壓力變送器的溫度補(bǔ)償系數(shù)，通過HART通訊把溫度補(bǔ)償系數(shù)發(fā)送到壓力變送器中，壓力變送器通過高階溫度補(bǔ)償模型就可實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償。
0概述
       擴(kuò)散硅壓力變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但容易受溫度影響，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。測(cè)量值和真實(shí)值存在著誤差，因此溫度補(bǔ)償問題是提高傳感器性能的一一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前擴(kuò)散硅壓力傳感器主要有兩種溫度補(bǔ)償方法:硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償方法存在調(diào)試?yán)щy、精度低、成本高、通用性差等缺點(diǎn)，不利于工程實(shí)際應(yīng)用;軟件補(bǔ)償能夠克服以上缺點(diǎn)，也逐漸成為研究熱點(diǎn)。
       目前軟件補(bǔ)償主要有:查表法、二元插值法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、曲線曲面擬合方法等4。查表法需要占用很大的內(nèi)存空間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，不利于工程應(yīng)用。本文采用最小二乘回歸算法，占用內(nèi)存少，運(yùn)算速度快，可提高壓力變送器的輸出線性度和精度，提高了壓力變送器在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠性。
1溫度補(bǔ)償系統(tǒng)原理
       擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，圖1以兩線制帶HART通訊的壓力變送器為例。工控機(jī)通過溫度采集板卡采集放到溫控箱里溫度傳感器的溫度，并通過GPIB總線對(duì)溫控箱進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。氣泵、增壓泵和壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供壓力，工控機(jī)通過壓力檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)氣體的壓力值，并根據(jù)此壓力值調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供穩(wěn)定的壓力源。壓力變送器在溫控箱里整齊排列，壓力變送器接在同-一個(gè)壓力氣源上，壓力變送器的供電也連接在一起接到24V供電電源上,HART調(diào)制解調(diào)器串在24V供電電路里。當(dāng)溫控箱穩(wěn)定在某-溫度下，壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供-一個(gè)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力，工控機(jī)就可以通過HART調(diào)制解調(diào)器讀取溫控箱內(nèi)每個(gè)壓力變送器在當(dāng)前溫度和當(dāng)前壓力下的壓力值。

2溫度補(bǔ)償模型
       通過對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器的特性研究和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散硅壓力變送器的壓力值隨溫度變化滿足-定的規(guī)律5,，基于該規(guī)律提出了適用于擴(kuò)散硅壓力變送器的高階溫度補(bǔ)償模型。
2.1建立高階溫度補(bǔ)償模型
       擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償模型如下:

       其中:CP和PT都是具有25個(gè)元素的行向量;CPoo~CP44、P測(cè)、T和P的含義同式(1)。
2.2獲取樣本數(shù)據(jù):
       在擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作溫度范圍內(nèi)(-35℃~85℃)，每隔一定溫度取一個(gè)溫度點(diǎn)，共m個(gè)溫度點(diǎn)，并在每--一個(gè)溫度點(diǎn)下采集壓力變送器在滿量程范圍內(nèi)的n個(gè)壓力點(diǎn)的測(cè)量壓力值，則有m*n個(gè)測(cè)量壓力值。然后通過m個(gè)溫度值、n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值、m*n個(gè)測(cè)量壓力值求解高階溫度補(bǔ)償模型的補(bǔ)償系數(shù)，求出補(bǔ)償系數(shù)后，把補(bǔ)償系數(shù)寫到硅壓力變送器的存儲(chǔ)單元中保存，以實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償。根據(jù)式(2)數(shù)據(jù)，可得到m*n個(gè)關(guān)系式:

2.3利用最小二乘回歸算法計(jì)算壓力的溫度補(bǔ)償系數(shù)。
       根據(jù)式(7)工控機(jī)利用軟件MATLAB中的函數(shù)[CP",CPint,b,bint,stalel-=egres(PT,A,0.05)即可求出溫度補(bǔ)償系數(shù)CP。

3溫度補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn)
       把量程為lbar的擴(kuò)散硅壓力變送器放到溫控箱中，接通氣源為壓力變送器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力。給壓力變送器上電，關(guān)閉恒溫箱。在硅壓力變送器的使用溫度范圍(-35℃~85℃)內(nèi)每隔10℃選取一一個(gè)溫度點(diǎn)，共有13個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)(m=13)。在每個(gè)溫度點(diǎn)分別采集壓力變送器在標(biāo)準(zhǔn)壓力為Obar、0.5bar和lbar下的測(cè)量壓力值(n=3)，得到表1補(bǔ)償前數(shù)據(jù)。表1中的第--行為溫度值，第二行為壓力變送器在Obar壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測(cè)量壓力值，第三行為壓力變送器在Obar時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿量程誤差。第四行為壓力變送器在0.5bar壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測(cè)量壓力值，第五行為壓力變送器在0.5bar時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿量程誤差。第六行為壓力變送器在1.0bar壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測(cè)量壓力值，第七行為壓力變送器在1.0bar時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的滿量程誤差。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可以得到矩陣A和pT,根據(jù)式CPT=(4)1*pT工控機(jī)調(diào)用MATLAB中的最小二乘回歸算法函數(shù)regress,即可求出壓力變送器的溫度補(bǔ)償系數(shù)CP00~CPu，如表2所示。
        求出溫度補(bǔ)償系數(shù)后，工控機(jī)通過HART通訊把溫度補(bǔ)償系數(shù)傳到壓力變送器內(nèi)，根據(jù)式(1)可得出此壓力變送器的溫度補(bǔ)償模型，表3為此壓力變送器采用溫度補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)。
從表1、表3數(shù)據(jù)可以看出，未進(jìn)行溫度補(bǔ)償前擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度漂移很大，在-35℃、壓力為lbar時(shí)滿量程誤差為0.81%，而采用高階溫度補(bǔ)償模型進(jìn)行補(bǔ)償后的溫度漂移明顯減小，在-35℃~85℃的溫度范圍內(nèi)，壓力變送器的滿量程誤差為0.07%，擴(kuò)散硅壓力變送器補(bǔ)償后的滿量程精度比補(bǔ)償前提高了10倍。
       采用了本文介紹的壓力變送器的溫度補(bǔ)償技術(shù)，,大大提高了擴(kuò)散硅壓力變送器的輸出精度，且降低了產(chǎn)品輸出溫度漂移，產(chǎn)品在-35℃~85℃的溫度范圍內(nèi)，溫度漂移控制在0.075%以內(nèi)。
4結(jié)論
       采用高階溫度補(bǔ)償模型，并利用最小二乘回歸算法求解高階溫度補(bǔ)償模型系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散硅壓力變送器的溫度補(bǔ)償,從而改善了傳感器和電路元器件的溫度漂移,提高了擴(kuò)散硅壓力變送器的輸出精度。在降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品性能和產(chǎn)品在國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面都具有非常重要的意義。