CN102032974B - 一种压力传感器温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器温度补偿方法，该方法将压力传感器测量系统的耦合误差在传感器内部完成补偿，外接设备直接读取压力数值，操作简便，避免二次采样引入的测量误差，采用多次标定取平均的方法，减少了系统误差、迟滞误差对标定点的影响；采用标定点可信度分析，以方差为权重拟合压力补偿曲线，拟和之后的补偿曲线更接近可信标定点，提高了测量精度。

Description

一种压力传感器温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器温度补偿方法，尤其涉及一种适用于压力-温度复合型传感器的加权温度补偿方法，属于压力测量温度补偿技术领域。

背景技术

硅压阻式压力传感器体积小、灵敏度高、动态响应特性好、集成度高、成本低等优点，广泛应用于压力计、流量计等压力检测仪器仪表领域。但是由于半导体工艺总存在温漂问题，硅压阻式压力传感器也无法避免静态和动态特性随温度变化而变化，而且每个传感器的温度特性都不一样，需要分别校准。

总的来说，影响压力传感器静态特性主要包括零点漂移、非线性误差、随机误差；而影响压力传感器动态特性主要包括迟滞误差，这些误差都和温度存在一定的关系。

早期的压力传感器温度补偿方法，主要通过硬件电路实现，如在惠斯顿电桥的桥臂上串联热敏电阻，以抵消压力传感器的温漂，也有用集成恒流源的温度特性进行补偿，这种思路衍生出的各种补偿电路有十几种之多，优点在于实现方法简单、调试使用简便，缺点在于精度无法提高，灵活性不够，参数一旦固定无法修改，使用一定时间后，特性发生新的偏移就无法再更改。

随着智能芯片技术的发展，采用软件方法对压力传感器进行温度补偿逐渐成熟起来，软件方法的优点在于灵活性好，通过建立压力传感器误差模型，对其进行标定，补偿参数存入微存储器内，如果集成参数发生偏移，可以进行新的标定，只要修改补偿参数即可完成。更简单的方法则采用查表法，将软件计算得到的每一个补偿值，直接存储在微存储器内，使用时查表读取即可。

软件方法所受到的技术限制主要来源于智能芯片的计算能力和存储能力，早期的智能芯片只能实现查表法、直线/折线拟合法、最小二乘法、曲线拟合法、反函数法等算法。

现阶段的智能芯片可以很轻松地实现更复杂的算法，如神经网络算法、小波拟合算法、三次B样条插值算法等。计算能力和存储能力的提升使得用于补偿的采样点数量也大大增加，可以进行更精细的补偿。

传统的压力传感器经采样放大后输出的是模拟电压值，在数字化测量系统中，需要首先通过A/D转换为数字信号才能使用，而数字化A/D系统本身的精度、静态特性、动态特性又耦合在压力传感器系统中，而两者又都存在温漂问题，因此，一个有益的思路就是将压力传感器、温度传感器、A/D模块，以及智能芯片集成在一个模块中，这种复合型智能压力传感器，可以直接输出经过温度补偿的压力数字值，使用简便。

中国实用新型专利“自补偿高精度压力-温度复合传感器”(专利号：ZL 03220423.X)公开了一种将温度传感器并联入压力测量回路中，实现自补偿电路，但是这种补偿只是纯粹硬件补偿的复合型压力传感器。

中国发明专利“在线可编程自动温度补偿硅压阻传感器”(专利号：ZL 200510018684.9)公开了一种通过测量传感器桥压A/D转换数字值作为温度补偿时的温度值，并通过在线编程(ICP)技术将补偿参数存入E²PROM，通过SPI接口输出压力数字量，而通过PWM接口输出压力模拟量的压力传感器，这种思路为本发明提供了硬件实现的有益启示。

另外，中国发明专利“高精度压力传感器信号补偿方法”(公开号：CN 101858811 A)公开了运用DSP分别测量压力信号和温度信号进行软件迟滞误差补偿、温度补偿的二次曲面回归分析方法，这种思路为本发明提供了软件补偿方法的有益启示。

然而，上述温度补偿的方法，对补偿采样点都是不加区分地加以使用的。即：将所有的补偿采样点代入补偿方程中，由此计算出补偿参数，对正常使用期间的采样值进行补偿；而其他考虑传感器特性区段差异的分段补偿方法，在分段区间内也是使用全部分段补偿采样点进行计算和补偿的，本质上并没有区别。

由于在不同的压力点和温度点上，压力传感器的灵敏度是不同的，也即误差程度存在一定差异，以误差大的点拟合补偿参数在很大程度上加深了误差的程度，因此区别对待不同的补偿采样点，采用加权拟合压力补偿曲线的方法将会带来更高的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于压力-温度复合型传感器的加权温度补偿方法，本发明方法是在以下硬件上实现：

压力-温度复合型传感器模块，由：微控制器核、存储器、串行接口、标准电压源、压力传感器、压力A/D、压力窗、温度传感器、温度A/D、SDATA串行数据线、SCLK串行时钟线、VCC电源线、GND数字地线组成。

在布局上，温度传感器和压力传感器，以及压力A/D、温度A/D、标准电压源互相尽可能靠近，目的是使测压耦合通道尽量具有相同的温度环境，而这个温度值正好可以由温度传感器读取，因此，在此基础上所作的温度补偿才有更加切实的效果。

压力窗连通外界压力源，具有一定标准的机械尺寸；存储器用于存储地址编码、定标用的标准压力、温度采样值，以及补偿参数；微控制器核用于智能补偿计算，以及控制压力A/D、温度A/D的工作状态，并通过串行接口和外界控制指令交互；模块通过SDATA串行数据线、SCLK串行时钟线和外界实现双向通信，可定义专用的通信时序协议完成相应的操作；VCC电源线和GND数字地线组成复合型传感器模块的供电回路。

压力-温度复合型传感器模块可以是采用通用型芯片组成的PCB板级电路模块，也可以是采用定制芯片实现的芯片模块。

结合压力-温度复合型传感器模块，本发明所提供技术方案的具体步骤如下：

步骤一：标定过程

(1)初始化，标定计数器清零；

(2)发送标定启动指令，通过SDATA串行数据线向压力-温度复合型传感器模块发送标定启动指令码，压力-温度复合型传感器模块切换至标定状态；

(3)输入标准压力，压力-温度复合型传感器模块放入恒温箱内，按标定规程依次输入标准压力，每输入一个标准压力，通过SDATA串行数据线，发送标准温度数值和发送标准压力数值；

(4)执行温度A/D，执行压力A/D；

(5)四元组数据存入存储器，将标准温度数值、标准压力数值、温度A/D数值、压力A/D数值以四元组形式存入存储器中；

(6)判断标定规程是否结束？否(N)，重复(2)至(4)步骤，直至所有的标准温度和标准压力都标定完成；

(7)是(Y)，发送标定结束指令；

(8)发送重复标定指令，标定计数器加1；

(9)判断是否完成规定的重复次数？否(N)，重复(2)至(7)步骤；

(10)是(Y)，发送标定完成指令，启动补偿过程；

步骤二：补偿过程

(1)提取温度数据对，即标准温度数值-温度A/D数值数据对；

(2)温度A/D数值求平均，对每个标准温度数值，将其对应的温度A/D数值进行平均；

(3)压力A/D数值求平均，计算每一个标准温度、每一个标准压力下采样的压力A/D数值的平均值；

(4)压力A/D数值求方差，计算每一个标准温度、每一个标准压力下采样的压力A/D数值的方差；

(5)以方差为权重拟和；

(6)存储压力拟和曲线参数；

(7)反馈补偿完成码；

步骤三：测量过程

(1)发送测量指令，发送测量启动指令码，压力-温度复合型传感器模块切换至测量状态；

(2)执行温度A/D，执行压力A/D；

(3)计算各压力补偿数值，在此压力A/D数值对应的各条温度补偿曲线的压力补偿数值；

(4)计算温度补偿数值，拟合压力补偿数值，计算温度A/D数值对应的温度补偿压力数值，存入存储器；

(5)测量结束状态置位；

(6)读取压力测量数值。

本发明的有益技术效果是：将压力传感器测量系统的耦合误差在传感器内部完成补偿，外接设备直接读取压力数值，操作简便，避免二次采样引入的测量误差；采用多次标定取平均的方法，减少了系统误差、迟滞误差对标定点的影响；采用标定点可信度分析，以方差为权重拟合压力补偿曲线，拟和之后的补偿曲线更接近可信标定点，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明一种压力传感器温度补偿方法的误差耦合示意图；

图2是本发明一种压力传感器温度补偿方法的压力-温度复合型传感器结构图；

图3是本发明一种压力传感器温度补偿方法的温度补偿方法流程图；

图4是本发明一种压力传感器温度补偿方法的压力传感器标定装置结构图；

图5是本发明一种压力传感器温度补偿方法的标定压力-温度曲线图；

图6是本发明一种压力传感器温度补偿方法的压力-温度二维补偿图。

具体实施方式

参考附图，下面将对本发明进行详细描述。

如图1所示，传统的压力传感器采样放大(102)后输出模拟电压值，在数字化测量系统中，首先通过微处理器(100)的A/D端口(101)转换为数字信号，另外需要事先引入一个标准参考电压(103)连接至微处理器(100)的Ref参考端(104)。

在这个采样通道中，压力传感器采样放大(102)、A/D端口(101)、标准参考电压(103)耦合在一起，三者的精度、静态特性、动态特性最终表现为整个采样通道的误差特性。而三者又都存在着温漂问题，因此，将三者以及温度传感器整合在一个模块中，组成复合型智能压力传感器，通过数字串行接口和接口协议，实现传感器定标、测压读数的功能，使用简便，精度高。

如图2所示，适用本发明方法的压力-温度复合型传感器模块，由：微控制器核(200)、存储器(201)、串行接口(202)、标准电压源(203)、压力传感器(204)、压力A/D(205)、压力窗(206)、温度传感器(207)、温度A/D(208)、SDATA串行数据线(209)、SCLK串行时钟线(210)、VCC电源线(211)、6ND数字地线(212)组成。

在布局上，温度传感器(207)和压力传感器(204)，以及压力A/D(205)、温度A/D(208)、标准电压源(203)互相尽可能靠近，目的是使测压耦合通道尽量具有相同的温度环境，而这个温度值正好可以由温度传感器(207)读取，因此，在此基础上所作的温度补偿才有更加切实的效果。

压力窗(206)连通外界压力源，具有一定标准的机械尺寸；存储器(201)用于存储地址编码、定标用的标准压力、温度采样值，以及补偿参数；微控制器核(200)用于智能补偿计算，以及控制压力A/D(205)、温度A/D(208)的工作状态，并通过串行接口(202)和外界控制指令交互；模块通过SDATA串行数据线(209)、SCLK串行时钟线(210)和外界实现双向通信，可定义专用的通信时序协议完成相应的操作；VCC电源线(211)和GND数字地线(212)组成复合型传感器模块的供电回路。

压力-温度复合型传感器模块可以是采用通用型芯片组成的PCB板级电路模块，如微控制器核(200)可以选用合适型号的单片机、DSP、FPGA；存储器(201)可以选用E²PROM；压力A/D(205)和温度A/D(208)可以根据采样精度的需要，选用独立多通道A/D模块，也可以选用集成有多通道A/D端口的单片机、DSP、FPGA芯片，且温度A/D(208)的精度可以低于压力A/D(205)的精度；串行接口(202)可以选用CAN、SPI、USB、I²C等接口器件，其通信速率足够使用；而标准电压源(203)可以选用通用型的三端稳压模块，这种设计结构紧凑、成本低，可以直接应用于测量仪器、仪表中。

压力-温度复合型传感器模块也可以采用定制ASIC芯片实现，在芯片上集成各个部件，芯片体积小、能耗低、抗干扰强，成本较高，适合于高端应用领域。

如图3所示，结合压力-温度复合型传感器模块，本发明所提供技术方案的具体步骤如下：

步骤一：标定过程

(1)初始化(300)，标定计数器清零；

(2)发送标定启动指令(301)，通过SDATA串行数据线向压力-温度复合型传感器模块发送标定启动指令码，压力-温度复合型传感器模块切换至标定状态(302)；

(3)输入标准压力(303)，压力-温度复合型传感器模块放入恒温箱内，按标定规程依次输入标准压力，每输入一个标准压力，通过SDATA串行数据线，发送标准温度数值(304)和发送标准压力数值(305)；

(4)执行温度A/D(306)，执行压力A/D(307)；

(5)四元组数据存入存储器(308)，将标准温度数值、标准压力数值、温度A/D数值、压力A/D数值以四元组形式存入存储器中；

(6)判断标定规程是否结束？(309)，否(N)，重复(2)至(4)步骤，直至所有的标准温度和标准压力都标定完成；

(7)是(Y)，发送标定结束指令(310)；

(8)发送重复标定指令(311)，标定计数器加1；

(9)判断是否完成规定的重复次数？(312)，否(N)，重复(2)至(7)步骤；

(10)是(Y)，发送标定完成指令(313)，启动补偿过程(314)；

步骤二：补偿过程

(1)提取温度数据对(315)，即标准温度数值-温度A/D数值数据对；

(2)温度A/D数值求平均(316)，对每个标准温度数值，将其对应的温度A/D数值进行平均；

(3)压力A/D数值求平均(317)，计算每一个标准温度、每一个标准压力下采样的压力A/D数值的平均值；

(4)压力A/D数值求方差(318)，计算每一个标准温度、每一个标准压力下采样的压力A/D数值的方差；

(5)以方差为权重拟和(319)；

(6)存储压力拟和曲线参数(320)；

(7)反馈补偿完成码(321)；

步骤三：测量过程

(1)发送测量指令(322)，发送测量启动指令码，压力-温度复合型传感器模块切换至测量状态；

(2)执行温度A/D(323)，执行压力A/D(324)；

(3)计算各压力补偿数值(325)，在此压力A/D数值对应的各条温度补偿曲线的压力补偿数值；

(4)计算温度补偿数值(326)，拟合压力补偿数值，计算温度A/D数值对应的温度补偿压力数值，存入存储器；

(5)测量结束状态置位(327)；

(6)读取压力测量数值(328)。

如图4所示，压力-温度复合型传感器模块可以并联同时批量标定，压力传感器标定装置结构包括：

标准压力源(400)、恒温箱(401)、工装控制板(402)、压力连通器(403)、压力-温度复合型传感器模块(404)、串行接口接线柱(405)。

标准压力源(400)是可编程的，可以根据标定规程，依次输出指定的标准压力，压力可以是气压、或者液压；恒温箱(401)提供可编程的环境温度，在每一个设定温度达到热平衡之后，进行标定过程；工装控制板(402)连接标准压力源(400)和恒温箱(401)，读取当前时刻的标准压力数值和标准温度数值，并和串行接口接线柱(405)相连，通过串行接口将标定标准压力数值和标准温度数值发送给恒温箱(401)内每一个压力-温度复合型传感器模块(404)；多个压力-温度复合型传感器模块(404)通过压力连通器(403)相连，由于恒温箱(401)内温度基本相同，压力连通器(403)内压力基本相同，因此可以批量发送标准压力数值和标准温度数值。

如图5所示，从0开始执行的一个标准压力源标定规程(500)，对应一个环境温度(501)，当恒温箱(401)的温度发生变化之后，需要一段时间的热平衡，然后重复执行另一个标准压力源标定规程(502)，以此类推，执行所有的标定温度点，标准压力源(400)输入标准压力时，需要作适当的延时，以使压力在压力连通器(403)内达到平衡。

在这样一个过程中，对于每一个标准温度数值ST_i，对应一组标准压力数值{SP₀，SP₁，…，SP_N}，对于M个标准温度数值{ST₀，ST₁，…，ST_M}，形成了一组N*M个(SP_i，ST_j)的标准数据对；

适当地重复执行上述周期Q次，并不会增加标定成本，得到了Q组{(SP_i，ST_j)₀，(SP_i，ST_j)₁，…(SP_i，ST_j)_Q}标准数据组，这些数据中温度的单位可能为摄氏度、华氏度等，而压力的单位为mmHg柱、KPa、MPa等，数值的有效位数根据实际应用确定，采用定点数的方式发送给压力-温度复合型传感器模块(404)；

与输入标准压力数值和标准温度数值对应的是每一次采样的压力A/D数值和温度A/D数值，也即产生了对应的Q组{(CP_i，CT_j)₀，(CP_i，CT_j)₁，…，(CP_i，CT_j)_Q}的A/D数据组，这些数据中温度和压力的单位为V，mV等，为采样的电压值，数值的有效位数根据A/D的精度确定，采用定点数的方式进行补偿过程和测量过程。

而存储在存储器中，可以直接存储(SP_i，ST_j，CP_i，CT_j)四元组数据。

对温度进行校准，对于同一个标准温度数值STj，实际上进行了N*Q次温度A/D，因此，对温度A/D数值求平均，用公式：

Avg _STj＝∑(CT_iq)/(N*Q)

多次A/D求平均也是过采样的思想，可以消除采样的系统误差。

经过Q次重复压力标定采样，对于每一个标准温度-标准压力值，都有Q个压力A/D数值{CP_iq}，分析该数组的误差分布，有益于确定误差测量的可信度。

采用方差分析方法，用公式：

EP_i＝∑(CP_i-Avg _CPi)²/Q

其中Avg _CPi＝∑(CP_i)/Q为压力A/D采样均值，用这个值作为压力补偿的标定采样点，可以减少传感器系统误差、迟滞误差的影响。

可以认为EP_i的值决定了压力传感器的固有的响应特征，是由其静态特征和动态特征所决定的，EP_i越大，说明标定点的可信度越低，反之，则可信度越高。

现有方法，都不考虑用于补偿曲线拟和的标定采样点的可信度，虽然拟和的曲线并不需要经过所有的点，只需要满足全局误差最小的条件即可，但是可信度高的标定采样点应该更接近实际目标值，因此在回归分析中，应该具有更大的权重。

假设，拟和曲线方程为P_拟和＝f(P_采样，b)，b＝(b₀，b₁，…，b_n)为待定系数，对于标定采样值对(SP_i，CP_i)(i＝1，2，…，N)，每一处残差ei＝SP_i-f(CP_i，b)(i＝1，2，…，N)。

加权拟和，有公式：Re(b)＝∑(wi*ei²)。其中，wi为权值，决定了该标定采样点在总体平方残差中所占的重要程度。为使总体平方残差最小，对于可信度高的标定采样点，wi的权值应该越大，反之，wi的权值应该越小。

一般情况下，wi取平均权值1，而在考虑可信度之后，权重wi就应该根据EP_i的值而定，一种显而易见的方法可以采用公式来计算权重：

wi＝min(EP_i)/EPi

即：最小的EP_i，就是最可信的标定点，其权重wi为最大值1，而其他的EP_i，其权重wi都小于1。

如果min(EP_i)等于0，则该项权重wi恒为1，取非0项min(EP_i)参与计算。

补偿参数b通过解方程组

(i＝0，…，n)得到。

拟和曲线f可以根据压力传感器特性，选取高次多项式或其他形式。

如图6所示，测量过程中，压力传感器温度补偿曲线簇(600)和测量时的压力A/D数值(601)形成了多个交点，以此组成压力补偿数组(602)，将压力补偿数组(602)和压力传感器温度补偿曲线簇(600)相对应的标准温度A/D数值进行线性拟和后，生成温度-压力补偿曲线(603)，在温度A/D数值(604)所对应的就是温度补偿压力数值(605)。

Claims (2)

1.一种压力传感器温度补偿方法，将微控制器核、存储器、串行接口、标准电压源、压力传感器、压力A/D、压力窗、温度传感器、温度A/D、SDATA串行数据线、SCLK串行时钟线、VCC电源线、GND数字地线集成在压力-温度复合型传感器模块中，在使用时，直接读取压力数字数值，具体实现步骤如下：

步骤一：标定过程

(1)初始化，标定计数器清零；

(2)发送标定启动指令，通过SDATA串行数据线向压力-温度复合型传感器模块发送标定启动指令码，压力-温度复合型传感器模块切换至标定状态；

(3)输入标准压力，压力-温度复合型传感器模块放入恒温箱内，按标定规程依次输入标准压力，每输入一个标准压力，通过SDATA串行数据线，发送标准温度数值和发送标准压力数值；

(4)执行温度A/D，执行压力A/D；

(5)四元组数据存入存储器，将标准温度数值、标准压力数值、温度A/D数值、压力A/D数值以四元组形式存入存储器中；

(6)判断标定规程是否结束？否(N)，重复(2)至(4)步骤，直至所有的标准温度和标准压力都标定完成；

(7)是(Y)，发送标定结束指令；

(8)发送重复标定指令，标定计数器加1；

(9)判断是否完成规定的重复次数？否(N)，重复(2)至(7)步骤；

(10)是(Y)，发送标定完成指令，启动补偿过程；

步骤二：补偿过程

(1)提取温度数据对，即标准温度数值-温度A/D数值数据对；

(2)温度A/D数值求平均，对每个标准温度数值，将其对应的温度A/D数值进行平均；

(3)压力A/D数值求平均，计算每一个标准温度、每一个标准压力下采样的压力A/D数值的平均值；

(4)压力A/D数值求方差，计算每一个标准温度、每一个标准压力下采样的压力A/D数值的方差；

(5)以方差为权重拟合；

(6)存储压力拟合曲线参数；

(7)反馈补偿完成码；

步骤三：测量过程

(1)发送测量指令，发送测量启动指令码，压力-温度复合型传感器模块切换至测量状态；

(2)执行温度A/D，执行压力A/D；

(3)计算各压力补偿数值，在此压力A/D数值对应的各条温度补偿曲线的压力补偿数值；

(4)计算温度补偿数值，拟合压力补偿数值，计算温度A/D数值对应的温度补偿压力数值，存入存储器；

(5)测量结束状态置位；

(6)读取压力测量数值。

2.如权利要求1所述的一种压力传感器温度补偿方法，其特征在于：所述以方差为权重拟合的方法，实现步骤包括：

经过Q次重复压力标定采样，对于每一个标准温度-标准压力值，都有Q个压力A/D数值{CPiq}，采用公式EPi＝∑(CPi-Avg CPi)²/Q计算方差，其中Avg CPi＝∑(CPi)/Q为压力A/D采样均值，用这个值作为压力补偿的标定采样点，减少传感器系统误差、迟滞误差的影响；

假设，拟合曲线方程为P_拟合＝f(P_采样，b)，其中b＝(b0，b1，…，bn)为待定系数，对于标定采样值对(SPi，CPi)(i＝1，2，…，N)，其中SPi为标准压力数值，CPi为压力A/D数值，每一处残差：

ei＝SPi-f(CPi，b) (i＝1，2，…，N)

用公式Re(b)＝∑(wi*ei²)进行加权拟合，其中，wi为权值，决定了该标定采样点在总体平方残差中所占的重要程度，为使总体平方残差最小，对于可信度高的标定采样点，wi的权值越大，反之，wi的权值越小；

采用公式wi＝min(EPi)/EPi计算权重，物理意义是最小的EPi，就是最可信的标定点，其权重wi为最大值1，而其他的EPi，其权重wi都小于1，如果min(EPi)等于0，则该项权重wi恒为1，取非0项min(EPi)参与计算；

补偿参数b通过解方程组(i＝0，…，n)得到，拟合曲线f可以根据压力传感器特性，选取高次多项式。

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