压力传感器温度漂移补偿的应用分析

第１ ２卷　 第 １期　

２０１ 住 　 ２

中　 国

水

运　

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２ ２ ０１ 　

压 力传 感器温度漂移补偿 的应 用分析　

徐 鹏　，孙 玲　

（ １海 军 驻 ４ ６ 军代 表 室 ， 辽 宁 大 连 １ ６ １ ２厂 　 ０　 １ １；２中国舰 船研 究设 计 中心 ， 湖北 武 汉 ４ ０ ６ 　 ３ ０ ４） 摘 要 ： 压 力 传 感 器 是 工 程 中常 用 的测 量 器 件 ， 由于 温 度 的影 响 ，其 零 点 经 常 发 生漂 移 ， 因此 需 要 对 它 进 行 温 度 补　

偿 。文中介绍了硬件零点补偿和软件零点补偿 两种 方法 ，补偿 压力传感器的温度漂移 ，提高传感器 的性能及测量准　

确度 。 　 关键 词 ： 压 力 传 感 器 ；零 点 漂 移 ；温 度 漂 移 　 中图分类号：Ｔ２２１ Ｐ １． 　

引 言　

文献 标 识 码 ：Ａ 　

文 章 编 号 ： １０ — ９ ３ （ ０ ２ １ ０ ０ 一 ２ ０ ６ ７ ７ ２ １ ）０ — １５ Ｏ 　

一

、

在 现 代 自动 化 设 备 的各 类控 制 系 统 中 ，压 力 的 测 控 占有　

很大 的比重 。自动化程 度越 高 ，需要测控 的压 力就越多 ，所　

使 用 的压 力 传 感 器 也 越 多 ， 设 备 及 其 测 控 系 统 的性 能在 很 大　

Ｅ 　

程度 上依赖于传感器 ，因此对其精度 的要 求也 就越 高 。压 阻　

式 压 力 传 感 器 是 应 用最 广 泛 的 压 力 传 感 器 之 一 。压 阻 式 压 力　 传 感 器 是 利 用 硅 的 压 阻效 应 和微 电子 技 术 制 成 的 ， 它 具 有 灵　

敏度高 、动态响应好、准确 度高、易于微型化 和集 成化等特　 点 ，是获得 广泛应用 ，而且 是发展迅速 的一种新 的物性 型传　

感 器 。由于 采 用 半导 体 材 料 硅 制作 ， 感 器 对 温 度 比较 敏 感 ， 传 　 如 不 采 用 温 度 补 偿 ，其 温 度 误 差 较 大 ，这 也 是 压 阻 式 传 感 器 　 发 展 中 的一 个 需 要解 决 的 问题 。 　

二 、压 阻 式 压 力 传 感 器　

１ 压 阻 式 压 力 传 感 器 原 理　 ．

图 ２ 惠 斯 通 电桥 　

２ 压 阻式 压 力 传 感 器 的特 点　 ．

（ ） 阻 式压 力 传 感 器 的灵 敏 系 数 比金 属 应 变 式 压 力 传　 １压

感器 的灵敏度 系数要大 ５ — Ｏ ０ １ ０倍 。有 的时候压阻式压力传　

感 器 的输 出不 需 要 放 大 器 就 可 直 接 进 行 测 量 。 　 （ ） 由于 它 采 用 集 成 电路 工艺 加 工 ，因 而结 构尺 寸小 ， ２ 　

重量轻 。 　

硅 的压 阻效 应 是 Ｃ． 密 斯 在 １ ５ Ｓ史 ９ ４年 对 硅 和 锗 的 电阻 　

率与应 力变化特性测试 中发现的 。压 阻效应 ，是指 当

半导体　

受 到 应 力作 用 时 ， 由于 载 流 子 迁 移 率 的变 化 ，使 其 电阻 率 发 　 生 变 化 的现 象 。压 阻 效 应 的强 弱 可 以 用压 阻 系数 　 表 征 。压　 来 阻 系 数 　 定 义 为 单位 应 力 作 用 下 电阻率 的 相 对 变 化 。 阻效 　 被 压 应 有 各 向 异 性 特 征 ，沿 不 同 的 方 向施 加 应 力 和 沿 不 同方 向通 　

（） ３ 压力分辨率高 ， 它可以检测 出像血压 那么小 的微压 。 　

（ ）频 率 响 应 好 ，它 可 以 测 量 几 十 千 赫 的脉 动压 力 。 ４ 　 （） ５ 由于 传 感 器 的力 敏 元 件 及 检 测 元 件 制 在 同一 块 硅 片　 上 ， 所 以它 工作 可 靠 ，综 合 精 度 高 ，且 使 用 寿 命 长 。 　 （ ）由于 采 用 半 导 体 材 料 硅 制 作 ， 感 器 对 温 度 比 较 敏　 ６ 传

过 电流 ，其 电阻率 变化会 不相同 。 　

压 阻式压力传感器 （ 图 １ 见 ）采 用集 成 电 路 工 艺 技 术 ， 　

感 ，如不采 用温度补偿 ，其温度误差较大 。 　

三 、 温 度补 偿 研 究　 在 对 压 阻 式压 力 传 感 器 的研 究 方 向 中 ， 括开 发耐 高 温 ， 包 　

及 用 于 微 机 械 加 工 的压 力 传 感 器 ，还 有 一 个重 要 的 研 究 方 向　

在硅片 上制造 出四个等值 的薄膜 电阻并组成 电桥 电路 （ 惠斯　

通 电桥 见 图 ２ ，当 不受 力作 用 时 ，电桥 处 于 平 衡 状 态 ，无 电　 ） 压 输 出 ；当 受 到 压 力 作 用 时 ， 电桥 失 去 平 衡 而 输 出 电压 ，且 　

输 出 的 电 压 与 压 力 成 比例 。 温 度 是 影 响压 阻 系 数 最 主 要 的 因　

素。 　

是 温 度 漂 移 的 补 偿 ，在 实 际应 用 当 中 ，压 阻 式 压 力 传 感 器 的　 确 面 临 着 温 度 补 偿 问题 。压 阻式 压 力 传 感 器 会 受 到 温 度 的 影　

响 ，导致零点漂移和灵敏度漂移 ，它来源于 半导体物理性质　 对 温度的敏感性 。零位漂移是 因为扩 散电阻阻值 随温度改变　 而 发生变化 。扩散 电阻 的温度 系数 因薄 层电阻不同而异 。表　

面 杂 质 浓 度 高 时 ，薄 层 电 阻小 ，温 度 系数 亦小 ，反 之 ，薄 层　 电 阻增 加 ，温 度 系数 增大 。 由于 工 艺 上 的原 因 ，难 于 使 ４个　 桥 臂 电阻 温 度 系 数 完全 相 同 ，因 此 ，不 可 避 免 的 要 产 生 零 位　 漂 移 。所 以 ，适 当提 高 表 面 杂 质 浓度 ，可 以 减 小温 度 系 数 ， 　

图 １ 压 阻式 压 力传 感 器　

进而减小零位漂移 。但是 ，过高 的杂 质浓度会降低 传感器的　

收 稿 日期 ：２ １ — ０ ： 　 ０ １１ 一 ７ ２

作者简介 ：徐

鹏 （ ９ ０ ）男，海军驻 ４ ６厂军代表室军代表 ，研究方向为船舶动力系统。 １８一 ２ 　

１６ ０　

中 国 水 运　

第 １ ２卷　

灵 敏 度 。压 阻式 压 力 传 感 器 的 灵敏 度 漂 移 是 由于 压 阻系 数 随　 温 度 改 变 而 引起 的 。 当温 度升 高 时 ，压 阻 系 数 减 小 ，反 之 则　 增 大 。所 以 ， 当温 度 升 高 时 ，传 感 器 灵 敏 度 降 低 。如 果 提 高 　 扩 散 电 阻 的表 面 杂 质 浓 度 ，压 阻 系 数 随 温 度 变 化 要 小 一 些 ， 　

但 传 感　

不 为 零 ，预 先将 它检 测 出 来 ，并 存 入 内存 单 元 ，在 巡 回检 测　

时 ，再 从 检 测 中 扣 除 这 个 零 位 漂 移 后 的影 响 。一 般 采 用 单 片　 机 智 能 控 制 系 统 ，如 图 ４ 所 示 ， 即将 传 感 器 的输 出 电压 Ｕｓ 　 去掉 其 零 点 温 漂 电压 Ｕｔ ，作 为 最 后 的输 出 Ｕｏ ＵｓＵｔ ＝ — ，系 统　 中 包括 压力 传 感 器 及 温 度 传 感 器 ，分 别将 其放 大 ，并 有 Ａ／ 　 Ｄ 及 单 片 机 系 统 。系 统 中 的单 片 机 作 为主 处理 芯 片 ，外 接 程 序　

存 储器 和 数 据 存 储 器 。传 感 器 工 作 时 ，在 单 片机 的 控 制 下 ， 　

器 的灵 敏 度 同样 会 降 低 。 因此 ，对 压 阻式 压 力 传 感 器 进 　 行 温 度 补 偿 在 实 际应 用 当 中显 得 相 当 重 要 。 　

１ 硬 件 零 点 补 偿 方 法　 ．

这 种 方 法 就 是在 组 成 惠 斯 通 电桥 的 四个 电 阻 中 ，在 相 应　

首 先将 Ａ Ｄ 转 换通 路接 通 温 度传 感 器 ，依 测 出 的温 度 数 据 ， ／ 　 查 出预 先 存 储在 Ｒ Ｍ 中的 对 应 于 此 温 度 的补 偿 值 Ｕｔ Ａ ，然 后　 控 制 Ａ Ｄ 接 通 压 力 传 感 器通 路 ， 出 此 时 的压 力 传 感 器 输 出　 ／ 测

电压 Ｕｓ ，减 去 Ｕｔ ，得 到 最 后 结 果 。 　

的桥 臂 上 串、 并 联 上 一 定 阻 值 大 小 的 电 阻 ，用 以 平衡 因 四 个　 扩 散 电阻 初 始 阻 值 不 匹 配 造 成 的零 点 漂 移 以及 它 随 温 度 变 化　

而 变化的温度漂移 。由于这种补偿 方法是在 电桥上完成 的， 　

我 们将 这 类 方 法 称之 为 “ 内补 偿 法 ” 。 桥 　

压 阻 式 传 感 器 在 硅 芯 片 上 扩 散 出 的 四 个桥 臂 电阻 ，一 般　

压 传 器其 大 力 感 及 放　

部　 Ａ转　 ／换 分 Ｄ

盖 某及 　 萎　

是 将 其 连 接 成 惠 斯 通 电桥 。为 使 电桥 的灵 敏 度 最 大 ，将 一 对　 阻 值 增 加 的 电阻 对 接 ，将 另 一 对 阻值 减小 的 电阻 也 对 接 ，如　 图 ３所 示 。在 图 ３所示 的 串 并联 电阻补 偿 法 原 理 图 中 ，其 原　 理 在 于 通 过 串并 联 于 桥 臂 上 的 电 阻 来 调 节 电桥 的零 点 输 出 ， 　 并 使 其 零 点 输 出 随温 度 变 化 而 产 生 的 漂 移 控 制 在 尽 可 能 小 的　 范

围 内 。其 中 ，串联 电阻 Ｒｓ主 要 起 调 零 作 用 ，并 联 电 阻 Ｒｐ 　

主 要 起 补偿 作 用 ，且 Ｒｓ ，Ｒ ｐ通 常选 用温 度 系 数 极 小 的金 属　

温度 感器 放 － 一　 传 及其 大卜 —

图 ４ 单 片机 智 能控 制 系统 　

四 、结 论　

硬 件 零 点补 偿 和 软件 零 点 补 偿 两 种 方 法 ， 虽然 均 能 补 偿　 压 力 传 感 器 的温 度 漂 移 ，但 各 有 优 缺 点 。硬 件 补 偿 方 法 虽 然　 已经 克 服 了 以 前 的 硬 件 补 偿 方 法 的计 算 困难 的缺 点 ，但 是 需　 要 在 不 同 的温 度 下 需 要 调 整 忍 　， ｐ 的 电 阻值 ，操作 起来 很　 Ｒ 麻 烦 ，而 软 件 补 偿 存 在 时 间漂 移 的 问题 ，短 时 间 的测 量 是 十　 分 准确 的 ，但 是 长 时 间的 测 量 就 存 在 着 时 间漂 移 ， 必 须 隔 一　

膜 电阻 ，所 以可 认 为 其 温 度 系 数 为 零 。其 关 键 在 于 准 确 的计 　 算 出 串并 联 电阻 Ｒｓ ，Ｒｐ的大 小 。 　

段 时间就要进行一次零点校正 ，即再采集一 次零值 ，进行较　

正 ，这 种校 正 方 法 现 在 可 以通 过 一 键 控 制 ， 即在 没 有 压 力 的　

情 况下 ，按键之后 ，进行零点 自动校正 。这种 方法精 度高 ， 　

操 作 方 便 ，但 存 在 一 个 问题 ，那 就 是 在 有 些 环境 下 ，压 力 传　 感 器 一 旦 被 安 装 ，就 一 直 存 在 压 力 ，无 法 使 其 处 于 不 受 压 力　 的 状态 ，除 非 把 压 力 传 感 器 卸 载 下 来 ，这 样 就 比 起硬 件 补 偿　 就 更 加 的 不 方 便 。所 以如 果 压 力 传 感 器 被 安装 后 ， 无 法 再 处　 于 无 压 力 状 态 ，那 么 硬 件 补 偿 是 一 个 可 以 消 除 零 漂 以 及 时 漂　 的 好 方 法 。如 果 压 力 传 感 器 可 以 随 时控 制在 无 压 力 的 状 态 的　

话 ，那么软件补偿 比较适合 ，因为软件 补偿 有精确度高 ，成　

图 ３ 惠 斯 通 电桥 补 偿 原 理 图　

２ 软 件 零 点 补偿 方 法　 ．

本低 ，操作 简单等优 点。 　

参 考 文 献　

软 件 补 偿 是将 微 处 理器 与 压 力 传 感 器 结 合 起 来 ，充 分 利　 用丰 富 的软 件 功 能 、 结 合 一 定 的补 偿 算 法 对 传 感 器 温 度 的 附　 加 误 差 进 行修 正 。 为 了 消 除 由于 环 境 因素 变 化 ，使 传感 器 的　

［ １ 继 明． 传 感 技 术 与 应 用【 ． 长 沙 ： 中南 大 学 出版 社 ， 】周 Ｍ】 　

２ ０５， ０ 　 ０ ３．

【 ２ 】夏 勇 ， 建 华． 多路 硅 压 阻 式压 力传 感 器温 度 补 偿 系统 的　 杨

设 计 与 实现 【 ． 测控 技 术 ，２ ０ ，１ ５ 『 １ ０ ６ ，２ ． 　

输 出或放 大器 的增益等发生变化所造成 的仪器 零点漂移 ，而　 引起 的系

统误差 ，一般采用 自动零位校准 的方法。零值 法原　

理 的基 本 思 想 是 ：在 零 输 入 信 号 时 ， 由于 零 漂 的 存 在 ，输 出　

【】陈岭 丽 ， 冯 志 华． 检 测 技 术 和 系统 【 １ 北 京 ： 清华 大 学　 ３ Ｍ．

出版 社 。２０ ，０ ． ０ ５ ５　

…

－

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（ 上接 第 ７ ９页 ） 　

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ｏｆＩ ＣＥＥ　 ０１ ２ ０， ２ ０： １ —１ 　 ０１ １ ３．

【】Ｄａ Ｓ ８ ｓ ，Ｂｉ ｓＡ，Ｄａｇ ｐａＳ，ｅ　１Ｂａｔｒ ｌ ｏａｉｇＯｐｉ 　 ｓ 　 ｗａ ｓｕ ｔ　 ｔ ． ｃｅ ａ　 ｒｇｎ 　 ｔ ａ ｉ ｆ ｍ　

ｉａ ｏ ｌｇ ｉｔｍ ： Ｔｈｅ ｒｔｃ 　ｆ ｎｄ ｔｏ ｓ， ａ ｌｓｓ， ａ 　 ｚ ｆ ｎ　ａ ｏｒ ｈ ｉ ｏ ｅｉａ ｏｕ ａ ｎ ｌ ｉ ｎａｙ ｉ ｎｄ

ａｐ ｃｔ ｎ［． ｏ ｎ ｔ ｎ　 Ｃ ｍｐ ｔｎｅ， ０ ９ ３ ２ — ５ ｐ ｌ ａ ｏ ｓ］Ｆ ｕ ｄ ｉ ｓ ｏ ｏ ｕ　 ｔ ２ ０ ， ： ３ ５ ． ｉｉ Ｊ ａ ｏ ｆ Ｉ ｌ 　 【】 ｉ Ｙ， ａ ｉｏＫ Ｍ ． ｉｍ ｍｉ ｙｏ ｓｃ ｏａ ｉｇ ａ ｔ ａ ｏ　 ９ Ｌｕ 　 Ｐ ｓｎ 　 　 Ｂ ｏ ｉ ｃ 　ｆ ｏ ｉ ｒ ｎ 　 ｃ ｒ 　 ｒ ｓ ｒ ￣ｆ ｇ ｂ ｅ ｆ ｉ

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