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高精度压力传感器中温度补偿技术研究0引言 压阻式压力传感器是利用半导体压阻效应制成的压力传感器，具有体积小、精度高、稳定性好等特点，广泛应用于电力、石油化工、汽车电子等领域。然而，硅压阻薄膜作为其核心，对温度变化敏感，导致零点温度漂移，影响传感器的灵敏度。常用的温度补偿方法主要有两种:硬件补偿法和软件补偿法。但是，传统的根据传感器硬件特性进行补偿的方法存在调试困难、精度低、通用性差等缺点，没有工程上的实际应用。软件补偿技术可以很好地解决这些问题，因此越来越受到人们的重视。 1 基于软件补偿的高精度压力检测系统 软件补偿是将微处理器与压力传感器相结合，充分利用微处理器丰富的软件功能，通过一定的补偿算法对压力传感器温度引起的误差进行校正。无论采用哪种软件补偿方法，硬件系统的体系结构都是相似的，不同之处在于算法。我们设计了一个以LPC2478为中央处理器的高精度压力检测系统，其主频高达72 Mz，片上flash程序存储器高达52 k，串口丰富。同时，系统采用了超高采样精度的A - D，并配置了一块SDRAM。 2 算法分析与实现 目前，软件补偿方法主要有插值法、曲线曲面拟合法、查表法和BP神经网络法。在插值方法_3中，假设数据是正确的，并且需要某种方法来描述数据之间发生的情况。曲线拟合方法试图找到一条光滑的曲线，它是最好的拟合数据，但不需要经过任何数据点。表查找方法是将一系列参数预加载到参数表中， 测量数据获得后，根据相应的参数进行处理。表查找占用大量存储空间，不适合微处理器。神经网络方法建立人工神经网络模型，通过样本训练确定网络参数。最大的缺点是网络不稳定，训练时间长。本文提出了一种结合曲线拟合和三样条插值的补偿算法，可以显著提高补偿性能。 2.1 多项式拟合
式(2 ) 可展开为一个关于系数 的线性方程组，此方程组有唯一解，即为所求拟合多项式的系数。 2. 2 三次样条插值 样条插值是一种改进的分段插值 ，它在每个相邻节点的小区间构造一个样条函数 ， 同时，为了保证节点处的连续 ，要求在节点处有二阶光滑度 ，即有连续的二阶导数． 三次样条插值函数定义 如下 ：
从式(4 ) 一(6 ) 可以看 出， 只要求 出 m (k = 0 ，1 ， … ，n) ，即可得至s(x)。 2.3 温度补偿模型 压力传感器一般是在 n 个标准温度 t，m 个标准压力 Pj(j = 1 ，2 ，… ，m ) 下进行标定 ，得到 n ×m 组标定点． 基于标定过程得到的压力传感器的实测数据对(ti，pj，uij) 通过适当的算法求得三者之前的函数关系如下，这里的是指压力传感器的输出电压。
针对此温度补偿模 型， 给出结合曲线拟合和三次样条插值的温度补偿算法步骤 ： 1) 固定温度t1不变，对压力P和电压M进行二次曲线拟合，得到两者关系曲线：P = f(u ) ； 固定温度t2不变 ，对压力 P 和 电压 u 进行二次曲线拟合 ，得到两者关系曲线：p =f (u ) ；依次类推 ，直至固定温度 t不变 ，得到压力P 和电压 的二次曲线 ：p =fn (u ) ． 二次曲线拟合可通过在 M ATLAB中编程实现； 2) 实际测量过程中，将测得的电压分别代人P = f1(u ) ，P =f2 (u ) ， … ，P = fn(u) 中，求 出在 n 个标准温度下 的压力值 ； 3) 对上述压力值和标准温度进行三次样条插值，得到压力 P 和温度 t 的关 系曲线 ，三次样条插值通过 C 语言编程在 A RM 中实现 ； 4 ) 将温度传感器测得的实时温度值代人上述曲线 ，即可得到经过温度补偿的压力值。 2. 4 实验过程与结果分析 表 1 给出了压力标定点 、温度标定点时传感器输出电压值．
表 1 实验标定数据 根据前述算法步骤 ， 对实验 数据进行 处理． 首先 ，固定温度不变 ，对 P 和u 进行二次拟合得 ：
从拟合结果可以看出，该实验实用的传感器在温度 固定 的情况下 ， 具有良好的线性特性．分别在8.2 ℃ 、4.6℃ 、2 2.3 ℃ 和 36.5 ℃ 四个温度点进行测试，经过温度补偿以后的结果表2 ．
表 2 经过温补的压力值 该结果说明经过采用曲线拟合和三次样条插值相结合的补偿方法后， 系统性能得到显著提升， 同时，可以通过增加压力和温度标定点的方法，进一步提高温补性能。 3 结 语 本文提出的结合二次曲线拟合和三次样条曲线插值 的温度补偿方法 ， 可以在标定点较少 的情况下实现较高精度 的温度补偿 ，这样有效地减少 了传感器标定时间和工作量． 如果对压力传感器 的精度 提出了更高的要求 ，在充分考虑成本 、硬件计算能力和运行速度的前提下 ，可以通过增加标 定点 的方法 提高系统性能 ，这对于解决 高精度压力传感器的温度补偿 问题具有一定 的理论意义和工程应用价值。 参考文献： [1 ] 李强 ，梁莉 ，刘桢等 ． 具有温度 补偿 功 能的智能压 力传感 器系统 [J] ． 仪器仪表学报，2008 (29 ) ：1934 —1938． [2 ] 刘松． 智能压力检测系统研究与设计 [D ] ． 天津 ：天津大学 ： 电子信息工程学院 ，硕士毕业论 文 ，2006 ：35 —46． [3 ] 王丕涛 ，翟殿棠 ，成 谢峰． 基于三次 B 样 条插值的压力传感器温度补偿 [J] ． 信 息技术 与信息化 ，2007 (3 ) ：112 一ll5 ． [4 ] 孙志忠 ，袁慰平 ，闻震初 ． 数值分析 [M ] ． 南京 ：东南 大学 出版社 2003 ： 16 —2 1． [5 ] JA SO N Palmer．P recise Pressure Sensor Temperature Compensation A lgorithms[D ] ： M aster T hesis． New Y ork ：State U niversity of New Y ork ， 20 0 6 ：6 7 —75 ． [6 ] 张艳峰 ，严 家明．基于最小二乘法的压力传感器温度补偿 算法 [J] ．计算机测量与控制 ，2007 ，5 (2 ) ：1870 —1874 ． |
