压力传感器及误差补偿

压力传感器

误差补偿

孙慧卿

郭志友口

一、引言

扩散硅压力传感器相当于一个有四只电阻的桥路。半导体电阻有温度系数，会产生温度误蓑．估成巽酌厍锸牲牲可右非姥性误差。因此，压力传感器在实际应用中会有温度和压力误差存在。利用压力传感器进行高精度测量时，就要对压力传感器的误差进行补偿。补偿温度误差是用一只温度传感器准确测量环境温度，根据不同温度下的压力数据对其进行数据转换，使得所有测量数据转换为２５℃时的数值，这一转换就是对压力信号的温度零点误差补偿。

设计一个压力传感器和电路系统，由压力传感器、温度传感

缡要：介结了医力传感器、变送器、智能压力传感器．对压力传感器魄零点漂移、压力灵敏蜜、菲线性误差进行补偿。设计了压力变送器、溘蜜变送器、～Ｄ转换器和单旨机电路。较好地补偿压力传感器的误差．提高漉量犍良一个数量级勖．达药溅量精良ｏｊｌ％±’字。关键词：智能压力传感器误差补偿精良机电路；

③在不同温度下准确测量压力传感器的输出数据；

④编制温度、非线性误差补偿的程序；

⑤测量数据写入程序中，在传感器测量中及时补偿所产生的误差。

其中，

阻相等，并且变化量也相等，公式（１）简化为：

睁等岷

＾

（２）

尺１＝Ｒ２＝尺３＝尺４＝尺，

则

欲１－肷２＝衄３＝欲４＝监。

从式（２）得知，电桥输出

电压亿与输入电压％成正比关系，％是恒定电压，当电桥受压

力时，电桥电阻发生变化电桥失去平衡，说明电桥的工作电流是变化的，也就是说输出电压分别与电流和压敏电阻相关，这不利于电路稳定，因此，选择恒定电流厶为电桥供电就避免了这一问题的产生，即有输出电压Ｋ仅仅随压敏电阻变化而改变。

２、压力变送器

压力传感器在液位测量环境特殊性决定压力传感器普遍采用４—２０ｍＡ形式传输，这样使信号可以远距离传送。压力传感

二、传感器原理

１、压力传感器

扩散硅压力传感器可以等效为一个电桥电路川，压力传感器等效电路如图ｌ所示。图中电阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、心为电桥的四个桥臂电阻，电桥输出电压为：

“

器、加转换器和单片机电路组

成，称为智能压力传感器。同时测量温度和压力信号，对压力传感器的误差进行补偿，实现提高测量精度的目的。设计智能压力传感器的步骤是：

①压力和温度传感器电路；②设计Ａ／Ｄ转换器和单片

：

蜘杀骗％㈩

半导体压敏电阻具有各向异性的特性，设计使电桥电阻Ｒ１、Ｒ３具有正增量，电阻Ｒ２、＆具有负增量，再设计成各个桥臂电

ｙ。＝一ｙ油

…

＼ｌ／

（尺１＋尺２）（尺３＋尺４）

１…令蚋９二掣拓ｒ一

万方数据　

器和传输电路组成压力变送器。④非线性误差±０．０５％；压力变送器的电路如图２所示。电桥式压敏电阻ＲＰ选择图中电路ＩＣ．是变送电路ＡＤ６９３Ｎ０ｖＡ公司的压力传感器。由ＩＣ．器件，主要技术指标是：

内部的运算放大器Ｂ、三极管①

电流传送方式：

Ｑ，、低温度系数的稳压电源组成三、智能压力传感器

４—２０ｍＡ输出；

恒流源电路，为压力传感器供智能压力传感器原理框图②在４ｍＡ电流输出时，温电，为使ＩＣ．性能稳定，要求供如图３所示。在图中，有压力变度系数是±１．５“Ａ√℃；

电电流越小越好，其电流ｊ．为：

送器和温度变送器，增加温度变③增益的温度系数是

送器测量压力传感器的环境温±５０ｐｐｎｌ，℃；

忙６．２熹（３）

度，以便对压力传感器输出数据压力传感器的输出进行补偿。首先，测量压力信号，电压％、Ｕ分别输入

单片机控制模拟开关电路选通到放大器ｃ输入端％一压力信号，压力信号经过模拟开和耽＋，使得电压信号，关电路输出，再输入到Ａ／Ｄ转换变成了差动信号△器进行转换，单片机通过并行接％。，有零压力时差动口接收压力数据，将暂存压力数电压为零。经过放大器据。其次，单片机控制模拟开关Ｃ、Ｄ、Ａ和三极管Ｑ２电路选通温度信号，温度信号经转换成电流信号，最后过～Ｄ转换后输出数据到单片压力变化通过电流形

机，然后，测量温度信号，单片机暂存温度数据。信号采样结束。单片机运行温度误差补偿程序，对压力信号的温度误差进行补偿，再运行非线性误差补偿程序，对压力信号的非线性误差进行修正。最后，得到经过误差补偿的准确数据，通过串行ＲＳ一２３２接口输出经过补偿后的数据。

四、误差补偿

稳定的压力和温度传感器、Ａ／Ｄ转换器、单片机电路是高精度误差补偿的基础。对压力传感器补偿的关键技术问题：

①准确地测量压力和温度变送器的输出信号数据；

．．◆．

万　

方数据・…云ｉ；ｆ譬重量堂墨《》…一

２００２．３’篱爹…

②设计一组压力传感器温度误差、非线性误差补偿程序［２１。

调整压力变送器和温度变送器的零点和满度输出，之后，将两只传感器放置到恒温箱中，设置恒温箱的温度数值，等待恒温箱内温度平衡，当温度变送器

的信号为上下摆动变化时，说明

此时温度为稳定状态，分别记录

压力和温度信号，完成一个温度下的测量，再调整恒温箱温度，待温度稳定后，测量压力和温度信号，以此类推在整个温度区间测量压力和温度信号。温度点选择为＋１０℃、０℃、１０℃、２５℃、４５℃时，测量数据如表ｌ所示。

编制一组温度、非线性误差补偿程序，通过温度传感器的测量数据计算出温度所在的区域，计算压力信号在该区域的线性系数，通过系数计算出压力信号的所在点的实际数据，再将该点数据转换成２５℃时的压力数据，最后将压力数据转换成压力数值。程序和测量数据均烧录到程序存储器中，在单片机正常时，通过计算和处理测量数据，补偿压力信号的温度误差、零点随温度漂移、非线性误差。

从表１中可以看出，压力传感器的零点、压力灵敏度随着温度的变化也在改变，由于此变化所产生的误差比较大，若不进行误差补偿，测量精度就很低。经过误差补偿后智能压力传感器的测量精度达到了Ｏ。１％±１字。

ｌ…一令蚋９￡攀赫ｒ一

万　

方数据表１测量压力数据

≮■＼逞窭（℃）

＼遭出（小

一１０ＯｌＯ２５４５

压力（ｋｇ）＼＼

０．０００００．４００ｌＯ，３９７３０．３９８６０．４００００．４０２８０．１００００．９３５ｌＯ，９２９５０．９３１３０．９３３１０．９３７ｌ０．１５００１．２０３３１．１９６ｌ１．１９８２１．２００３１．２０５１Ｏ．２０００

１．４６８４１．４６３２１．４６５５１．４６７７１．４７３１Ｏ．２５００

１．７３５２１．７２９４１．７３１８１．７３４２１．７４３８０．３０００

１．９９９９

１．９９５７

１．９９８４

１．９９９７

１．９９６７

五、结束语

１９９５，７６—９９

在压力变送器的基础上，增加了温度变送器、Ａ／Ｄ转换器电ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｏｒａｎｄ

ｉｔｓ

Ｅｒｍｒ

路、单片机电路就可以对压力传Ｃｏ删Ｉｐｅｎｓａｔｉｏｎ

感器的温度、非线性误差进行补Ａｂｓｔ豫ｃｔ：Ｔｈｉｓ

ｐａｐｅｒｉｎ廿０ｄｕｃｅｓ

偿，提高测量精度一个数量级ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ’

ｔｅｍｐｅｒａｔＩｌｒｅ别。利用单片机对压力传感器误ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ

ａＩｌｄ

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ

差进行补偿的方法比较简单，智ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ

ｉｎｂｒｉｅｆ，ｐｒｅＳｅｎｔｓ能传感器的成本低，具有实际推ａ

ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ

ｍｅｍｏｄｏｆｚｅ∞

广意义。电路中压力传感器和温ｄｒｉｆｔ．ｎｏｎ一１ｉｎｅａｒ

ｅｒＩ．ｏｒ

ｆｏｒ度传感器采用了４—２０ｍＡ变送电ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｍｅ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｓｅｎｓｉｎｇ

路，对压力传感器的误差补偿是ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｄｅｓｉｇｎｓ山ｅｃｉｒｃｕｉｔＯｆ对总体传感器电路（包括压力传ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ’

ｔｅｍｐｅｒａｔｌｌｒｅ

ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ

，

Ａ／】）ｃｏｎｖｅｎｅｒ，ａｎｄ

感器、温度传感器、Ａ／Ｄ转换器）ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｗｈｉｃｈｃ锄

误差的补偿，也就是对传感器和ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ

ｍｅ

ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒ

电路系统的误差补偿。误差补偿ｅｒｒｏｒ

ｅｆｒｅｃｔｉＶｅｌｙ

ａｎｄ

ｍａｋｅｍｅ

程序简单、实用，补偿精度高；

ｍｅａＳＵｒｅｍｅｎｔｎｌｏｒｅ

ａＣＣｕｒａｔｅ．

智能压力传感器的不足之处ＫｅｙｗＯｒｄｓ：Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓ０Ｌ

是测量压力变送器、温度变送器ＴｅｌｎｐｅｒａｔｕｒｅＴｒａＩｌｓｄｕｃｅｒ＇的原始数据时，需要性能稳定的Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｓｅｎｓｏｒ；Ｅ１．ｍｒ

恒温箱，精度要求高。若进行批ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；Ａｃｃｕｒａｃｙ

量生产，测量数据量比较大。

作者简介：

参考文献

孙慧卿：广州市华南师范大学量［１］张维新、朱秀文、毛赣如，电所，邮编：６１０６３１，电话：

《半导体传感器》，天津大学出版０２０—８５２１１５３２，０１３６００４５８４０６，社，１９９２，１６０

１６２．

Ｅ—ｍａｉｌ：ａｃｈｔ．ｃｏｍ＠ｓｃｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

【２】徐开先等，实用新型传感器读者服务卡编号００４口

及其应用，辽宁科学技术出版社，

压力传感器及误差补偿

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

孙慧卿， 郭志友

广州市华南师范大学量电所 610631传感器世界SENSOR WORLD2002，8(3)5次

参考文献(2条)

1. 张维新. 朱秀文. 毛赣如 半导体传感器 19922. 徐开先 实用新型传感器及其应用 1995

相似文献(1条)

1.期刊论文 张红俊. 张红旺. 同长虹 电阻应变式传感器在应用中的误差补偿 -机械管理开发2003(4)

介绍电阻应变式传感器在应用中由于环境温度等因素的影响,会产生各种误差.传感器在实际测量中采用温度补偿、非线性误差补偿、智能压力传感器补偿的方法来提高测量精度,保证测量的准确性.

引证文献(6条)

1. 谢文力. 曾喆昭 基于OBF神经网络的温度传感器非线性补偿方法[期刊论文]-现代电子技术 2009(13)2. 宋辉. 李坤 基于单片机的高精度压力数据采集系统的设计[期刊论文]-电子技术 2009(5)

3. 廖南平 基于正交基神经网络的热敏电阻温度传感器非线性补偿方法[期刊论文]-大功率变流技术 2008(6)4. 曾喆昭. 竺炜. 王耀南 一种基于正交基神经网络算法的传感器误差补偿方法[期刊论文]-传感技术学报 2007(03)5. 曾喆昭. 竺炜. 孙湘海. 王耀南 一种基于神经网络算法的高精度拟合传感器温度特性曲线的方法[期刊论文]-传感技术学报 2007(02)

6. 卢新彪 内燃机车爆发压力测试仪的研制[学位论文]硕士 2004

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cgqsj200203004.aspx

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