CN101201284A - 高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现 - Google Patents
高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现 Download PDFInfo
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Abstract
一种高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现，使用烘箱和标准压力源采集N个温度点，M个压力点下传感器的输出数据，构成N*M阶矩阵；建立传感器输出数学模型，根据采集数据拟合传感器输出函数的温度补偿系数a(T)，b(T)，c(T)和传感器在不同温度下零位输出U0(T)＝f(T)，并将参数写入微处理器；使用时，在零压力时点击复位记录传感器的零位输出U0，通过采集温度信息(T)并计算U0(T)，进而计算出传感器在使用与补偿段内的时间漂移量Δ＝U0－U0(T)；微处理器通过采集温度传感器(T)和压力传感器的输出信号(U)的信息，根据补偿公式P＝a(T)(U－Δ)2+b(T)(U－Δ)+c(T)计算调理后微处理器的输出，本发明结合压力敏感元件的设计与生产技术、信号调理技术、计算机技术，实现宽温区压力传感器校正；压力信号特性效果极佳。
Description
技术领域
本发明涉及高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现，是现代先进信号处理技术在压力传感器领域的应用，有利于改善压力传感器的输出特性。
技术背景
压力传感器是工程中常用的测量器件，由于温度及制造工艺本身的影响，其输出特性会发生偏移，造成测量结果的不准确，最主要有非线性、零位和灵敏度温度漂移、零位时间漂移三种误差。
传统的压力传感器误差修正方法主要有：串并联电阻、热敏电阻网络、电阻激光修调等方式，这几中方法的修调原理基本相同，均是采用模拟方式对压力传感器的电桥桥阻进行修调，以实现桥阻特性的一致。这种方法工艺成熟，但存在着以下不足：1、修调过程繁琐；2、一次只能对一只传感器进行修调，生产效率低；3、修调温区固定，只能对某一特定温区进行修调，修调效果难以令人满意。4、只能进行一次修调，在使用过程中，当零位发生时间漂移时不能再次进行修正。
发明内容
随着工控等应用场合对测量精度和可靠性要求越来越高，现代信号调理技术、计算机技术、通讯技术也越来越多地被用来改善压力传感器的性能。本发明就是结合压力敏感元件的设计与生产技术、信号调理技术、计算机技术，提供了一种新型的高精度压力传感器误差补偿模型及算法实现，弥补了以上的不足。
本发明的技术方案是这样实现的：一种高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现，该误差补偿包括压力传感器温度漂移、非线性和时漂，标定传感器在零位和满度时的输出信号，包括以下步骤：
(1)使用烘箱和标准压力源采集N个温度点，M个压力点下传感器的输出数据，构成N*M阶矩阵；
(2)建立传感器输出数学模型P＝aU2+bU+c，根据采集的各个温度点下传感器的输出信号U与所加压力值P，拟合传感器输出函数的温度补偿系数a(T)，b(T)，c(T)和传感器在不同温度下零位输出U0(T)＝f(T)，并将参数写入微处理器；
(3)使用时，在零压力时点击复位记录下传感器的零位输出U0，通过采集温度信息(T)并计算U0(T)，进而计算出传感器在使用与补偿段内的时间漂移量Δ＝U0-U0(T)；
(4)微处理器通过采集温度传感器(T)和压力传感器的输出信号(U)的信息，根据补偿公式计算调理后微处理器的输出，补偿公式如下：
P＝a(T)(U-Δ)2+b(T)(U-Δ)+c(T)
其中：P为微处理器的输出，所施加的压力值；
U为传感器在压力P下的输出信号；
a(T)，b(T)，c(T)为传感器输出函数的温度补偿系数。
U0(T)为传感器在补偿时刻的零位输出水平；
U0为传感器在使用时刻的零位输出水平；
Δ为传感器在使用与补偿段内的时间漂移量。
本发明的有益技术效果是：1.可实现宽温区内(如-40℃～+85℃)的传感器校正；2.微处理器输出的压力信号特性效果极佳；3.补偿方式简单，可通过人机交互界面实时对传感器进行校正。
附图说明
图1为本发明所述高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现在补偿过程中的示意图；
图2为本发明所述高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现在使用过程中的示意图。
具体实施方式
实现该发明需要的配置有计算机、微处理器、压力传感器、温度传感器、标准压力源和烘箱。设定标准压力源和烘箱，采集压力传感器和温度传感器的输出信息构成N*M阶矩阵，在计算机中利用数学处理软件MATLAB对数据处理，计算出补偿的参数并写入到微处理器中。
(一)以下结合图1说明本发明在补偿过程的具体实现：
高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现，该误差补偿包括压力传感器温度漂移、非线性和时漂，标定传感器在零位和满度时的输出信号，实现步骤如下：
1.使用烘箱和标准压力源采集N个温度点，M个压力点下传感器的输出数据，构成N*M阶矩阵；
表1：传感器的原始采样数据矩阵(单位：mv)
2.使用MATLAB数学软件进行数据处理，获得压力传感器误差补偿参数：
(1)在各个温度点下对传感器的输出信号U与所加压力值P进行二次拟合，P＝aU2+bU+c，得补偿系数a，b，c：
例如传感器在-40℃，0:10:100Kpa时传感器的原始输出信号为：
| -4.20 | 10.60 | 25.69 | 40.57 | 55.44 | 70.30 | 85.12 | 99.90 | 114.64 | 129.35 | 144.03 |
使用MATLAB曲线拟合工具箱中polyfit(U，P，2)得到：
P＝0.00005020249076U2+0.66726311312795U+2.84690180116907则a＝0.00005020249076，b＝0.66726311312795，c＝2.84690180116907。同理可获得其他温度点的补偿系数a，b，c：
a＝[0.00005020249076 0.00004886931202 0.00004760437299 0.000046954559560.00004599382927 0.00004676468308 0.00004341306162 0.000043074197160.00004532477475 0.00004171712066 0.00004437022972 0.000033141214050.00003148611899 0.00003141718418-0.00000294240081 0.000025871121560.00002780947200 0.00002031863796]；
b＝[0.66726311312795 0.67688788229000 0.68626404709359 0.695037607484260.70360959850094 0.71208167609031 0.72148147475641 0.730215244867020.73883160408613 0.75621768858100 0.77268929925359 0.791670768529240.80893296324179 0.82639243718168 0.84620196129366 0.859385011914580.87782815901665 0.88695508606735]；
c＝[2.84690180116907 2.42115171922496 2.04420055831314 1.717062287482981.42273730821736 1.15926621355972 0.89450566144025 0.651486599843890.44742988476994 0.10814541049880 -0.15925923462867 -0.34707444538728-0.47032044667003 -0.53619482236170 -0.45213754309480 -0.33776088557796-0.19122032311449 -0.14693094145804]；
(2)在-40℃～+85℃温区范围内将补偿系数a，b，c拟合成温度信息的二次函数，polyfit(T，a，2)：
a＝1.0e-004*(-0.00000374525545*T2-0.00252780686988*T+0.41701845002545)；
b＝-0.00000027526204*T2+0.00176333916650*T+0.73887048302399；
c＝0.00040424920254*T2-0.04067961162223*T+0.47905726271458.
(3)补偿后微处理器输出的压力信号：
P＝aU2+bU+c
(4)在非拟合温度点上验证补偿达到的效果，分别采集了传感器在-27.5℃、-12.5℃和25℃传感器输出的原始信号.
将温度信息T和传感器的输出信号U带入补偿公式，微处理器输出的压力信号如下：
从验证的数据可以看出，融入了温度信息和传感器电压输出信息的微处理器所输出的压力信号与标准压力源相比达到的精度为0.05％，补偿效果极佳。
(5)传感器零位时漂的补偿
通过等分温度区间，利用规范化多项式法将传感器的零位拟合成温度信息的函数，具体操作如下：
传感器在不同温度下的零位输出为：
| T/℃ | -40 | -30 | -20 | -10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 85 |
| U0(T) | -4.20 | -2.97 | -2.01 | -1.22 | -0.60 | -0.13 | 0.24 | 0.47 | 0.60 | 0.67 | 0.52 | 0.42 | 0.25 | 0.20 |
为减少矩阵的求逆运算量，特将温度划分为-40～0℃和0～85℃两个区间，而且利用规范化多项式法拟合出的函数在温度断点0℃处连续。另通过验证得出五个温度点四等分温度区间拟合出的多项式效果最佳。
在温区-40～0℃内具体的算法实现如下：
A＝[1 1 1 1
2 2^2 2^3 2^4
3 3^2 3^3 3^4
4 4^2 4^3 4^4]
B＝inv(A)*[-0.62-1.41-2.37-3.60]′
C＝B.*[(-10)^-1(-10)^-2(-10)^-3(-10)^-4]
得到拟合系数：C＝0.05100000000000
-0.00130833333333
-0.00002500000000
-0.00000041666667
写出传感器零点输出与温度的函数：
U0(T)＝-0.60+0.05100000000000T-0.00130833333333T2-0.00002500000000T3-0.00000041666667T4
将T＝[-40-30-20-10 0]带入验证拟合效果得：
-4.20000000852800 -2.97000000269700 -2.01000000053200
-1.22000000003300 -0.60000000000000
可以看到与原来的数据相当接近，满足做高精度压力传感器的要求。
同样可得到温区0～85℃传感器零点输出与温度的函数：
U0(T)＝-0.60+0.05204166666667T-0.00040937500000T2-0.00000572916667T3+0.00000005468750T4
使用时，在零压力通过点击复位记录下传感器的零位输出U0。则传感器在补偿与使用时间段内的漂移量为：Δ＝U0-U0(T)
(5)补偿了传感器零位时漂的微处理器的压力信号输出函数为：
P＝a(T)(U-Δ)2+b(T)(U-Δ)+c(T)
(二)结合图2说明本发明在使用时的操作过程：首先在零压力点击复位记录传感器的零位输出U0，并采集温度信息T，根据公式计算出传感器在补偿与使用时间段内的漂移量Δ。施加压力时，微处理器通过采集传感器的输出电压信号U和温度信息T，计算出所施加的压力P。
Claims (1)
1.一种高精度压力传感器的误差补偿模型及算法实现，其特征在于，该误差补偿包括压力传感器温度漂移、非线性和时漂，标定传感器在零位和满度时的输出信号，该算法实现步骤如下：
(1)使用烘箱和标准压力源采集N个温度点，M个压力点下传感器的输出数据，构成N*M阶矩阵；
(2)建立传感器输出数学模型P＝aU2+bU+c，根据采集的各个温度点下传感器的输出信号U与所加压力值P，拟合传感器输出函数的温度补偿系数a(T)，b(T)，c(T)和传感器在不同温度下零位输出U0(T)＝f(T)，并将参数写入微处理器；
(3)使用时，在零压力时点击复位记录传感器的零位输出U0，通过采集温度信息(T)并计算U0(T)，进而计算出传感器在使用与补偿段内的时间漂移量Δ＝U0-U0(T)；
(4)微处理器通过采集温度传感器(T)和压力传感器的输出信号(U)的信息，根据补偿公式计算调理后微处理器的输出，补偿公式如下：
P＝a(T)(U-Δ)2+b(T)(U-Δ)+c(T)
其中：P为微处理器的输出，所施加的压力值；
U为传感器在压力P下的输出信号；
a(T)，b(T)，c(T)为传感器输出函数的温度补偿系数。
U0(T)为传感器在补偿时刻的零位输出水平；
U0为传感器在使用时刻的零位输出水平；
Δ为传感器在使用与补偿段内的时间漂移量。
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