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海洋专用高精度压力传感器温度特性及补偿算法研究 压力传感器广泛应用于海啸监测 、 水位计 、验潮仪 、温盐深探测仪 、浮标 、潜标 、水 下移动平 台和海底观测网等海洋观测系统。 随着海洋观测技术的发展 ， 对压力传感器的测量精度的要求越来越高。压阻式压力传感器作为一种广泛使 用的压力传感器 ，具有响应快 、体积小 、精度高 、灵 敏度高且无运动部件等优点Ⅲ，但 由于半导体材料及制造工艺方面的原因，该类型压力传感器温度特性较差 ，测量值易受环境温度的影响，使用时需要进行温度补偿。 国家海洋技术 中心海洋测量传感器技术研究室承担 了“863”课题“海洋专用高精度压力传感器 ”的研制任务 ，与沈阳市传感技 术研究所一起研发了自带温度 的高度精度压力传感器。 传感器选用蓝宝石作为芯体基底材料 ，利用蓝宝石在某些晶向上与单 晶硅的晶体结构相同的特点 ，应用低压气相外延法生成单晶硅 ，制作硅应变电阻构成惠斯顿电桥 ，同时在传感器内部溅射一个100n 、阻值变化率为0.39n的铂电阻， 以便同时获取温度信号。高精度的A／D电路对温度和压力的电压信号进行实时采集后，单片机中的软件算法对压力传感器进行实时温度补偿与动态修正，最终得到高精度数字压力输出。 1 传感器温度特性实验方案 将压力传感器及采集电路置于高低温试验 箱内， 设定控温点为 50，43，35，25，15 ，5 ，0 ，-5℃， 待温度平衡后 ，使用高精度活塞式压力计(精度 ：0.005％F．S ) 分别对其做 0 ，1 ，3 ，5 ，10 ，15 ，25 ，35 ，45 ，55 ，60M Pa 的压力定标 ，实验结果如表 1 所示 。 2 温度特性分析
表1压力传感器在不同温度和压力条件下的输出电压数据(mV)
图 1 压力传感器在不同温度和压 力条件下的输出电压数据 将传感器压力 电压与温度做线性拟合 ，将得到的斜率(即温度系数 )按压力做 曲线(图 2 ) ，可 以看出，温度系数随压力也呈现 出较好的线性关系。
图 2 压力传感器温度系数与压力关系图 将传感器压力电压与温度做线性拟合后的残差按温度做 曲线(图 3 ) ，可以看出，拟合误差近似呈抛物线型且与压力相关 。 表明传感器温度系数受到压力和温度共 同的影响。 3 压力传感器温度补偿算法 温度补偿算法的基本思想是将特定温度下的压力 电压修正到对应室温(本次实验是23.65 ℃ ，对应铂电阻值104.76 n )环境下的压力输出，然后使用室温下的压力定标系数计算出压力值 。 基于上述压力传感器温度特性的分析 ，不难得出 ，压力传感器某一温度(r)条件下压力电压测量值(p )与对应室温(r0)环境下的压力电压 (p。)可以用下列关系式表达 ：
式 中 ：r 为铂电阻值 ；r0为室温下 的铂 电阻值 ；W0，W1 代表传感器在不同压力下的温度系数； 是与压力相关的温度系数非线性修正项 。 温补系数W0，W1，W2描述了压力传感器的不同压力下的温度特性 ，在一定程度上可认为是保持不变的。 使用各温度条件下的压力定标数据，借助MATLAB的linsolve函数解以下方程组可以得到W0，W1，W2的最优值。
压力传感器在测量时，首先由单片机读取铂电阻值和压力电压值 ，计算得到对应室温下的压力电压 ：
然后，代人式 (3 ) ，换算出温度补偿后的压力值。 4 温度补偿结果 使用上述方法得到压力传感器的温补系数并计算其补偿后的输出电压(见表2 ) ，经过温度补偿后，压力电压基本不受温度的影响。
表2 经过温度补偿后压力传感器在不同温 度和压力条件下的输出电压数据(mV ) 代人压力系数ao，a1，a2，a3， 计算出压力值， 减去活塞式压力计标准压力得到测量误差如图 4 所示 ：
图 4 压力传感器在经过温度 补偿后的测量误差 在-5～50℃的环境温度变化过程中， 经过温补后的压力电压波动不超过0.3 mV ， 换算成压力时，误差不超过1.5 dbar， 较未经温补时减小约两个数量级。 经过1个月的高强度老化后 ，选取4个温度点进行重复性实验。 沿用旧的温补系数 ，使用常温下定标 的新的压力系数计算其压力误差 (图 5 ) ，最大压力误差 1.2111，而如果均采用旧的压力系数 ，误差超过4 m ， 说明将温补系数与压力系数分离的补偿思路是合理且有效的。
5 传感器动态特性 经过温度补偿 ，传感器 的静态特性达到了项目考核要求 ，但是溅射铂电阻和压力电桥对温度变化不同的响应速度会导致其在温度快速变化时产生补偿误差 ，有必要予以动态矫正 。 将压力传感器在在高低温箱 中升温和降温 (压力为一个大气压 ，此时温度系数为正 ) ，其温度和压力输出见图6 。 可 以直观看出， 铂电阻响应速度要比压力电桥要快 ，温度补偿可能会出现过 冲的现象(图 7 )。
图 6 温度变化时传感器的阻值、压力响应图 实验发现 ，在一个大气压下 ，快速降温时 ，温补后的压力会增大 ，升温时 ，压力会减小 ，结合 图 1 的温度特性 ，不难推测 ，在高压力下，升 、降温对温补后的压力影响正好相反 。 对铂电阻施加时间常数为100S的一 阶低通滤波，可以初步抑制温度过度补偿的现象 ，提高其动态测量的精度 。 但是这种延长快速传感器响应时间以匹配慢速传感器的方法会牺牲其分辨率，更有效的动态矫正方法还待进一步研究。
图 7 匹配时间常数后的温补压力动态测量图 6 总结 本文较为深入地研究了压阻式压力传感器的温度特性，在此基础上提出了一种简单而实用的温度补偿方法 ，仅用3个温补系数实现-5～5O ℃、0～60MPa范围的高精度压力温补， 同时该订正方法实现了压力系数和温度系数的分离，压力传感器只需出厂时在高低温试验箱中做一次多温度点下的压力定标实验 ，计算得到传感器的温度系数 ，此后温度系数保持不变 ，后续只需在常温下进行压力定标即可 ，具有良好的可操作性和实用性， 该方法对于同类压力传感器的温度补偿具有一定的参考意义。 参考文献： [1] 姬生浩． 扩散硅压力传感器温漂补偿的软件实现[D]． 西安 ： 西北 工业 大学 ，2007． |
