CN102539062A - 一种传感器温度漂移补偿方法及压力传感器盒 - Google Patents

一种传感器温度漂移补偿方法及压力传感器盒 Download PDF

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罗乘川
张光中
钟明
李杨
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本发明属于气体压力测量领域，涉及到一种传感器温度漂移补偿方法及压力传感器盒，包括盒体部分及电路部分，所述盒体部分由压力传感器[2]及航空插头[1]组成，所述电路部分为MAX1452芯片及外围电路组成的补偿电路。本发明一种传感器温度漂移补偿方法能根据传感器特性实现温度漂移的校准，算法简单有效；温度补偿方法修正前传感器满量程输出温度漂移量在-40～125℃范围内为4％，经过算法补偿后，补偿精度可达0.5％。本发明压力传感器盒可将多通道的气体压力测量集于一体，具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、抗过载能力强、测量可靠性高，工作温度范围宽等优点。

Description

一种传感器温度漂移补偿方法及压力传感器盒
技术领域
本发明属于气体压力测量领域，涉及到一种传感器温度漂移补偿方法及压力传感器盒。
背景技术
常见的压力传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、抗过载能力强、易于实现非接触测量等优点而得到广泛的应用。但常见的压力测量传感器多为单一通道测量，通过简单的将传感器与补偿电路集成的方式，在恶劣的测试环境下甚至会因集成系统的损坏而损坏实验对象。压力传感器的输出不仅决定于所受的压力，而且受环境温度的影响，即压力传感器对温度存在交叉灵敏度，从而影响传感器的性能和测量准确度，这对于使用温度范围比较宽的高精度压力传感器尤为严重。为了减少温度的影响，提高测量准确度，需要对传感器进行补偿。由于传感器的工作原理已经基本定型，通过发现新的特殊的敏感材料来提高传感器的各项性能指标已经很困难；同时，传感器信号调节和转换电路等信息处理硬件技术已经发展到相当高的水平，想单独通过提高硬件和传感器的设计原理来提高传感器的各项性能指标也变得很困难；另外，通过神经网络、数据的插值拟合等方法来提高传感器性能的软件修正算法虽然通过仿真分析在理论上证明了算法的有效性，但算法模型构建困难、标定点数多，且不能离开上位机的处理分析。而在硬件补偿方案中利用热敏电阻构建与压力传感器温漂特性互补的电路或利用电阻组成神经网络电路模型也存在模型构建困难、补偿效能差等一系列缺点，且电路算法都是针对单只传感器，很难在工程中，特别是在高精度多点压力测量中得到大批量的应用。另外，由于制造工艺不同，每只传感器的特性曲线都存在较大的差异性，因此每只传感器都带有自己的补偿电路，在压力多点测量中不仅需要设计每只传感器补偿算法和电路，而且安装有一定限制，容易脱落，需要可将多通道气体压力的测量集于一体技术。
国外对高精度测试技术封锁严重，难以获得高精度的压力测量盒相关资料；国内对于高精度压力测量盒的研究起步较晚，已有的产品基本没有基于补偿电路的，且存在通道数较少，精度较低，测试误差较大的问题，难以满足实际压力测量的要求。因此，目前需要一种既能集成化测量又可以高精度可靠测量压力的方法。
发明内容
本发明的目的是：为了解决现有压力多点测量时传感器安装分散、使用不方便、温漂严重、精度不高的缺点，本发明提供了一种传感器温度漂移补偿方法及压力传感器，能够提高压力传感器的测量精度。
本发明的技术方案是：一种压力传感器盒，包括盒体部分及电路部分，所述盒体部分由压力传感器2及航空插头1组成，所述电路部分为MAX1452芯片及外围电路组成的补偿电路，压力传感器的输出信号端连接于补偿电路S+端口及S-端口，电源端连接于补偿电路的E+及E-端口，所述航空插头1连接于补偿电路的输出端OUT、通信线SDIO及锁定引脚ULCK。
所述压力传感器2的数量为1个以上，所述补偿电路的数量与压力传感器2数量一致。
所述压力传感器2的数量为6，所述补偿电路的数量为6个。
所述外围电路还包括信号调理模块3。
所述信号调理模块3为电阻R2，电容C1及电阻R1组成的放大器。
所述盒体部分由铝合金材料加工而成。
一种传感器温度漂移补偿方法，基于压力传感器温度漂移校准算法：
Vout＝[(P×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
其中，Vout为补偿电路的输出，P为压力传感器的压力值，a(T)为传感器的压敏系数，b(T)为传感器的零点系数，Vb为传感器两端的电桥电压值，IRO为MAX1452芯片内置的零点漂移寄存器修正系数，PGA为MAX1452芯片内置的可编程放大器放大系数，ODAC为MAX1452芯片内置的偏移量寄存器系数；包括以下步骤：
步骤一：将补偿电路上的锁定引脚ULCK接高电平；
步骤二：对补偿电路上MAX1452芯片内的跨度寄存器FSODAC、偏移量寄存器OffsetDAC、零点漂移寄存器修正系数IRO及可编程放大器放大系数PGA进行初值设置；
步骤三：分别记录压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax下补偿电路的输出电压Vout1及Vout2；
步骤四：通过以下方程组计算环境温度T下的传感器压敏系数a(T)及传感器的零点系数b(T)：
Vout1＝[(Pmin×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
Vout2＝[(Pmax×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
步骤五：根据以下方程组计算环境温度T下的期望输出电压值时的跨度寄存器FSODAC的电压值Vb′和偏移量寄存器OffsetDAC的电压值ODAC′；
Vout1′＝[(Pmin ×a(T)+b(T))×Vb′+IRO]×PGA+ODAC′
Vout2′＝[(Pmax×a(T)+b(T))×Vb′+IRO]×PGA+ODAC′
式中，Vout1′和Vout2′分别对应为压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax压力下补偿电路的期望输出电压；所述期望输出电压取值范围与压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax压力下的电压值对应；
步骤六：重复步骤二至步骤五，环境温度T每隔ΔT℃计算出-40～120℃温度范围内的跨度寄存器FSODAC的电压值Vb′和偏移量寄存器OffsetDAC的电压值ODAC′，分别拟合Vb′和ODAC′，并在-69～184℃范围内插入176个校准数据，并将插值后的校准数据写入MAX1452芯片对应的查找表地址中；
步骤七：将锁定引脚ULCK接低电平，完成传感器温度漂移补偿，实现压力测量盒的离线测量。
优选地，ΔT的取值范围为1℃≤ΔT≤20℃。
本发明的优点是：本发明一种传感器温度漂移补偿方法能根据传感器特性实现温度漂移的校准，算法简单有效；温度补偿方法修正前传感器满量程输出温度漂移量在-40～125℃范围内为4％，经过算法补偿后，补偿精度可达0.5％。本发明压力传感器盒可将多通道的气体压力测量集于一体，具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、抗过载能力强、测量可靠性高，工作温度范围宽等优点。
附图说明
图1为本发明压力传感器盒实施例1盒体部分接头示意图，
其中，1-航空接头，2-压力传感器。
图2为本发明压力传感器盒实施例1电路部分示意图，引脚说明如下：
E-：压力传感器电源负端；
E+：压力传感器电源正端；
S-：压力传感器信号输出负端；
S+：压力传感器信号输出正端；
VCC：5V直流电源；
OUT：补偿电路信号输出；
SDIO：芯片通信引脚；
ULCK：锁定引脚；
其中，3-信号调理模块。
图3为本发明一种传感器温度漂移补偿方法流程图；
图4是本发明一实施例中30KPa情况下温度漂移特性曲线图；
图5是本发明一实施例中3500KPa情况下温度漂移特性曲线图；
图6是本发明一实施例中误差特性曲线图。
图7是本发明一实施例中20℃温度下补偿后不同压力下传感器的输出。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图2。
请参阅图1至图2，一种压力传感器盒，包括盒体部分及电路部分，所述盒体部分由压力传感器2及航空插头1组成，所述电路部分为MAX1452芯片及外围电路组成的补偿电路，压力传感器的输出信号端连接于补偿电路S+端口及S-端口，电源端连接于补偿电路的E+及E-端口，所述航空插头1连接于补偿电路的输出端OUT、通信线SDIO及锁定引脚ULCK。
所述压力传感器2的数量为1个以上，所述补偿电路的数量与压力传感器2数量一致。
所述压力传感器2的数量为6，所述补偿电路的数量为6个。
所述外围电路还包括信号调理模块3。
所述信号调理模块3为电阻R2，电容C1及电阻R1组成的放大器。
所述盒体部分由铝合金材料加工而成。
如图1所示，实施例中，压力传感器2的数量为6个，6个压力传感器的量程不同，相对应的补偿电路的数量也为6个，这6个补偿电路通过一个电路板集成在一起。盒体部分采用铝合金材料加工而成，盒体壁厚为2.5mm，外形尺寸86mm×44mm×31mm，外形6个压力传感器安装座呈两侧布置，安装座的外形采用异型结构(非标准件)，盒体部分的主要功能就是集成压力传感器和补偿电路。盒体内部开有1.5mm宽用于安装电路部分的插槽。
如图2所示，为本实施例的电路部分示意图。所述电路部分为MAX1452芯片及外围电路组成的补偿电路，压力传感器的输出信号端连接于补偿电路S+端口及S-端口，电源端连接于补偿电路的E+及E-端口，所述航空插头1连接于补偿电路的输出端OUT、通信线SDIO及锁定引脚ULCK。
所述外围电路还包括信号调理模块3，信号调理模块3为电阻R2，电容C1及电阻R1组成的放大器。
6支不同量程的压力传感器分别对应6个补偿电路对压力传感器的灵敏度和零点飘移进行补偿，为将传感器输出变送到指定输出范围内，通过信号调理模块3将MAX1452芯片补偿调理后的信号进行放大滤波处理，使输出信号在指定的范围内，为防止电磁干扰或其它外部干扰造成锁定引脚ULCK错误触发，将ULCK下拉电阻R6设计为1K。同时，为解决在可擦除存储单元EEPROM期间，过大的电容引起MAX1452芯片内置寄存器参考电源VDDF上升延迟，导致启动问题，过小的电容会引起电源VDD尖峰电压耦合到输出，造成不必要的干扰，采用二极管BAT54来解决启动问题及降低输出噪声。所述补偿电路各元件参数为：
电阻：R1：1千欧姆，R2：1万欧姆，R3：3千欧姆，R4：100欧姆，R5：1千欧姆，R6：1千欧姆。
电容：C1：102，C2：103，C3：105，C4：105，C5：104。
二极管：BAT54。
以在环境温度T为-40～120℃，ΔT为20℃作为施例，压力传感器量程为0～3500KPa，本实例中取Pmin为30KPa，取Pmax为3500KPa，将输出电压变送到10～100mv，补偿精度达到0.5％以内。
如图3所示，一种传感器温度漂移补偿方法，基于压力传感器温度漂移校准算法：
Vout＝[(P×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
其中，Vout为补偿电路的输出，P为压力传感器的压力值，a(T)为传感器的压敏系数，b(T)为传感器的零点系数，Vb为传感器两端的电桥电压值，IRO为MAX1452芯片内置的零点漂移寄存器修正系数，PGA为MAX1452芯片内置的可编程放大器放大系数，ODAC为MAX1452芯片内置的偏移量寄存器系数；
包括以下步骤：
步骤一：将补偿电路上的锁定引脚ULCK接高电平；实施例中接5伏电压；
步骤二：对补偿电路上MAX1452芯片内的跨度寄存器FSODAC、偏移量寄存器OffsetDAC、零点漂移寄存器修正系数IRO及可编程放大器放大系数PGA进行初值设置；实施例中，FSODAC为2.5伏，OffsetDAC系数ODAC为0伏，IRO为+9毫伏，可编程放大器系数PGA设置为39倍；
步骤三：分别记录压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax下补偿电路的输出电压Vout1及Vout2，本施例中Vout1为14.254毫伏，Vout2为94.189毫伏；
步骤四：通过以下方程组计算环境温度T下的传感器压敏系数a(T)及传感器的零点系数b(T)：
Vout1＝[(Pmin×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
Vout2＝[(Pmax×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
计算出a(T)为2.60905×10-6，b(T)为-2.0737×10-3。
步骤五：根据以下方程组计算环境温度T下的期望输出电压值时的跨度寄存器FSODAC的电压值Vb′和偏移量寄存器OffsetDAC的电压值ODAC′；
Vout1′＝[(Pmin×a(T)+b(T))×Vb′+IRO]×PGA+ODAC′
Vout2＝[(Pmax×a(T)+b(T))×Vb′+IRO]×PGA+ODAC′
式中，Vout1′和Vout2′分别对应为压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax压力下补偿电路的期望输出电压；所述期望输出电压取值范围与压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax压力下的电压值对应，计算出Vb′为2.7799伏，ODAC′为15.732毫伏；
步骤六：重复步骤二至步骤五，环境温度T每隔ΔT℃计算出-40～120℃温度范围内的跨度寄存器FSODAC的电压值Vb′和偏移量寄存器OffsetDAC的电压值ODAC，本实施例ΔT取值20℃，分别拟合Vb′和ODAC′，并在-69～184℃范围内插入176个校准数据，并将插值后的校准数据写入MAX1452芯片对应的查找表地址中；
步骤七：将锁定引脚ULCK接低电平，完成传感器温度漂移补偿，实现压力测量盒的离线测量。
优选地，ΔT的取值范围为1℃≤ΔT≤20℃。ΔT取值越大，则计算得到的曲线越疏，ΔT取值越小，则计算得到的曲线越密，精度越高，实际使用时可根据具体情况进行取值。
本传感器温度漂移补偿方法能根据传感器特性实现温度漂移的校准，算法简单有效；温度补偿方法修正前传感器满量程输出温度漂移量在-40～125℃范围内为4％，经过算法补偿后，补偿精度可达0.5％。本发明压力传感器盒可将多通道的气体压力测量集于一体，具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、抗过载能力强、测量可靠性高，工作温度范围宽等优点。如图4及图7所示，为Pmin为30KPa、Pmax为3500KPa情况下的温度漂移特性曲线、误差特性曲线及20℃时压力传感器在补偿后不同压力下的输出特性曲线，从曲线中可以看出，补偿精度可达0.5％，并可将输出电压变送到指定的10～100mv，输出电压与压力之间成线性关系。

Claims (8)

1.一种压力传感器盒，其特征在于，包括盒体部分及电路部分，所述盒体部分由压力传感器[2]及航空插头[1]组成，所述电路部分为MAX1452芯片及外围电路组成的补偿电路，压力传感器的输出信号端连接于补偿电路S+端口及S-端口，电源端连接于补偿电路的E+及E-端口，所述航空插头[1]连接于补偿电路的输出端OUT、通信线SDIO及锁定引脚ULCK。
2.根据权利要求1所述的一种压力传感器盒，其特征在于，所述压力传感器[2]的数量为1个以上，所述补偿电路的数量与压力传感器[2]数量一致。
3.根据权利要求2所述的一种压力传感器盒，其特征在于，所述压力传感器[2]的数量为6，所述补偿电路的数量为6个。
4.根据权利要求3所述的一种压力传感器盒，其特征在于，所述外围电路还包括信号调理模块[3]。
5.根据权利要求4所述的一种压力传感器盒，其特征在于，所述信号调理模块[3]为电阻R2，电容C1及电阻R1组成的放大器。
6.根据权利要求1至5任一所述的一种压力传感器盒，其特征在于，所述盒体部分由铝合金材料加工而成。
7.一种传感器温度漂移补偿方法，其特征在于，基于压力传感器温度漂移校准算法：
Vout＝[(P×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
其中，Vout为补偿电路的输出，P为压力传感器的压力值，a(T)为传感器的压敏系数，b(T)为传感器的零点系数，Vb为传感器两端的电桥电压值，IRO为MAX1452芯片内置的零点漂移寄存器修正系数，PGA为MAX1452芯片内置的可编程放大器放大系数，ODAC为MAX1452芯片内置的偏移量寄存器系数；包括以下步骤：
步骤一：将补偿电路上的锁定引脚ULCK接高电平；
步骤二：对补偿电路上MAX1452芯片内的跨度寄存器FSODAC、偏移量寄存器OffsetDAC、零点漂移寄存器修正系数IRO及可编程放大器放大系数PGA进行初值设置；
步骤三：分别记录压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax下补偿电路的输出电压Vout1及Vout2；
步骤四：通过以下方程组计算环境温度T下的传感器压敏系数a(T)及传感器的零点系数b(T)：
Vout1＝[(Pmin×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
Vout22＝[(Pmax×a(T)+b(T))×Vb+IRO]×PGA+ODAC
步骤五：根据以下方程组计算环境温度T下的期望输出电压值时的跨度寄存器FSODAC的电压值Vb′和偏移量寄存器OffsetDAC的电压值ODAC′；
Vout1′＝[(Pmin ×a(T)+b(T))×Vb′+IRO]×PGA+ODAC′
Vout2′＝[(Pmax×a(T)+b(T))×Vb′+IRO]×PGA+ODAC′
式中，Vout1′和Vout2′分别对应为压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax压力下补偿电路的期望输出电压；所述期望输出电压取值范围与压力传感器最小量程Pmin和最大量程Pmax压力下的电压值对应；
步骤六：重复步骤二至步骤五，环境温度T每隔ΔT℃计算出-40～120℃温度范围内的跨度寄存器FSODAC的电压值Vb′和偏移量寄存器OffsetDAC的电压值ODAC′，分别拟合Vb′和ODAC′，在-69～184℃范围内插入176个校准数据，并将插值后的校准数据写入MAX1452芯片对应的查找表地址中；
步骤七：将锁定引脚ULCK接低电平，完成传感器温度漂移补偿，实现压力测量盒的离线测量。
8.根据权利要求7所述的一种传感器温度漂移补偿方法，其特征在于，ΔT的取值范围为1℃≤ΔT≤20℃。
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