CN103837300B - 带温度补偿的压力传感器校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩散硅压阻式传感器的校准方法，该方法通过在测量常温和其他几个温度点下压力传感器的零度漂移值和灵敏度漂移值，并将常温下不同压力及其对应的AD值存储于该压力传感器的压力参数表中，然后通过曲线拟合法得到压力传感器在其工作的全温度范围内的零度漂移值和灵敏度漂移值，通过计算，可以将任一温度下传感器压力AD值转换为常温下的AD值，最后对照上述参数表，进而得到补偿后的压力测量值；该方法直接利用了重要参数——压力传感器的零度漂移和灵敏度漂移，校正后的压力传感器精度高，操作简单。

Description

带温度补偿的压力传感器校准方法

技术领域

本发明涉及压力传感器的校准方法，具体指一种带有温度补偿的压力传感器校准方法。

背景技术

扩散硅压阻式传感器已广泛应用于压力计、流量计等压力检测仪器仪表领域。扩散硅压力传感器的特性会随着温度的变化而变化，影响传感器感知压力的精准度，所以实际使用中需要通过对压力传感器进行校准，从而提高其精准度。影响扩散硅压阻式传感器特性的关键因素是零点漂移和灵敏度漂移。但是，现有的带温度补偿的压力传感器的校准方法还没有直接利用零点漂移和灵敏度漂移来对压力传感器进行温度补偿。直接利用特定温度点的零点漂移值和灵敏度漂移值对压力传感器进行温度补偿，是一种新的温度补偿方法，其方法简单，温度范围广，压力检测精度较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种利用传感器的零点漂移和灵敏度漂移，通过温度补偿的方式校准传感器的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种带温度补偿的压力传感器校准方法，通过利用所述传感器的零点漂移值和灵敏度漂移值进行传感器校准，其操作包括以下步骤：

步骤1：在常温T₀下，由压力源向压力传感器提供一组压力值P₀、P₁、P₂、...、P_m，并记录对应压力下压力传感器的AD值，AD₀、AD₁、AD₂、...AD_m，对应关系如下表一：

表-1

P(kpa)	P0	P1	P2	...	Pm
						AD	AD0	AD1	AD2	...	ADm

将该表的数据存入所述压力传感器的压力参数表中；

步骤2：根据步骤1中所得的数据，通过计算得到常温T₀下所述压力传感器的零点漂移值a_T0和灵敏度漂移值b_T0，计算公式为：

$a_{T0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i{p}_i}{m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\right)}^2},$ $b_{T0}=\frac{m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i{p}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i}{m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\right)}^2}$

上述式子中：m为测试点个数，p_i为提供的标准压力值，为传感器AD值的平均值；

步骤3：根据上述获取常温T₀下所述压力传感器的零点漂移值a_T0和灵敏度漂移值b_T0的方法，获得其它测试温度T下，所述压力传感器对应的零度漂移值a和灵敏度漂移值b，如表-2所示：

表-2

T	T1	T1	...	Tn
					a	aT1	aT2	...	aTn
b	bT1	bT2	...	bTn

步骤4：将上述在温度T₀、T₁、T₁、...、T_n，所述压力传感器对应的零度漂移值和灵敏度漂移值（a_T0，b_T0），（a_T1，b_T1），（a_T2，b_T2）,...,（a_Tn，b_Tn），通过曲线拟合，可得所述压力传感器在全温度范围内的零点漂移值a和灵敏度漂移值b；

步骤5：根据y=a+bP（P为标准压力值），可以将任意温度T_n下的压力AD_Tn值转化为常温情况下的该压力所对应的AD值，即AD_常温；其中计算过程如下：

AD_Tn=a_Tn+b_TnP(1)

AD_常温=a₀+b₀P(2)

由（1）和（2）得AD_常温=a₀+b₀（AD_Tn-a_Tn）/b_Tn；其中，a₀、b₀、a_Tn、b_Tn已知，P为工作温度下的标准压力值，AD_Tn为所述压力传感器在T_n温度下的显示值，则通过式子（1）和（2）计算获得在压力P下该传感器的AD_常温。

步骤6：对照上述常温下所述表-1中不同压力下传感器对应的AD值，根据步骤5中AD_常温值的大小，寻找前后与其大小相差最近的AD值，即AD_前、AD_后，利用线性插值法得到实际压力值，即校准后的标准压力值P；其中，所述线性插值法的计算公式为：

P=P_前+(P_后-P_前)(AD_常温-AD_前)/(AD_后-AD_前)(3)

根据AD_常温的大小，在表一中选择距离其最近的不同压力下的AD值，如式子（3）中的AD_前、AD_后，及其对应的压力值P_前、P_后，然后根据（3）式的计算方法得得校准后的压力值P。

作为优选，上述所选取的测试温度点，相邻特定温度点间的差值为20摄氏度。

作为优选，上述步骤1中压力测试点从70K～800K压力范围内选取8个压力点。

作为优选，所述的全温度范围为压力传感器能够工作的温度范围，该温度范围为-30℃～70℃。

作为优选，该方法中还包括一个在不同温度下测试压力传感器压力值的验证步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果

利用压力传感器的零点漂移值和灵敏度漂移值对压力传感器实现了全温度范围内的温度补偿，算法简单，检测精度高。

附图说明

图1为实施例中全温度范围内的a-T拟合曲线图。

图2为实施例中全温度范围内的b-T拟合曲线图。

图3为实施例中，线性插值算法坐标图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

对一工作温度范围在-30℃～70℃的扩散硅压阻式传感器的校正方法，这里测量常温为20℃，为了更好地检测传感器的非线性，压力测试值的范围从70kpa至800kpa范围内选取8个压力值（压力测试点数量越多，校准精确度越高），记录常温下该压力传感器对应压力下的AD示值，如表-3所示：

表-3

以上为了测量的准确性，这里的AD值为升压和降压两次测试的AD值的平均值，平且根据该AD平均值获得在常温下所述扩散硅压阻式传感器的零度漂移值a_T20和灵敏度漂移值b_T20，其中a_T20和b_T20可通过一下公式计算获得：

$a_{T0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^2\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i{p}_i}{m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\right)}^2},$ $b_{T0}=\frac{m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i{p}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{y}}_i}{m\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p_i}^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\right)}^2}$

式中，a_T0和b_T0为T0温度下传感器的零度漂移值和灵敏度漂移值，m为测试点个数，p_i为提供的标准压力值，为传感器AD值的平均值。

将表-3存储于该压力传感器的压力参数表中。

根据上述获取常温20℃下所述压力传感器的零度漂移值a_T20和灵敏度漂移值b_T20的方法，获得测试温度点0℃和40℃下（这里的温度点可在该压力传感器的工作温度范围内任意选择）该压力传感器在同上一组压力下的AD值及其平均值，并且通过计算获得相应温度下的零度漂移值和灵敏度漂移值，如表-4所示：

表-4

上述实际操作中，因压力传感器温度稳定时间较长，为得到更为精准的AD值，将实验箱温度设定好后等2.5小时再去读不同温度下的AD值。

将上述在温度为20℃、0℃以及40℃时，所述压力传感器对应的零度漂移值和灵敏度漂移值，通过曲线拟合，可得所述压力传感器在其工作的全温度范围内的零点漂移值a和灵敏度漂移值b；如图1为重新拟合后的a-T曲线图，图2为重新拟合后的b-T曲线图，图中2所指为b-T关系的曲线；表-4所示为任意几个温度下所述传感器的零度漂移值和灵敏度漂移值：

表-5

T(℃)	-10	-3	3	17	37	50
							a	12331	12893	12893	13567	14413	14663
b	3537	3572	3572	3614	3687	3709

根据y=a+bP（P为标准压力值），可以将任意温度T_n下的压力AD_Tn值转化

为常温情况下的该压力所对应的AD值，即AD_常温；其中计算过程如下：

AD_Tn=a_Tn+b_TnP

AD_常温=a₀+b₀P

由上式AD_常温=a₀+b₀（AD_Tn-a_Tn）/b_Tn；其中，a₀、b₀、a_Tn、b_Tn已知，P为工作温度下的标准压力值，AD_Tn为所述压力传感器在T_n温度下的显示值，则通过以上式子计算获得在压力P下该传感器的AD_常温；根据该AD_常温，对照上述常温下所述表-3中不同压力下该传感器对应的AD值，寻找AD_常温前后与其大小相差最近的AD值，即AD_前、AD_后，利用线性插值法得到实际压力值，即校准后的标准压力值P；其中，如图3所示，所述线性插值法的计算公式为：

P=P_前+(P_后-P_前)(AD_常温-AD_前)/(AD_后-AD_前)

根据AD_常温的大小，对照表-3选择距离其最近的不同压力下的AD值，如式子（3）中的AD_前、AD_后，及其对应的压力值P_前、P_后，然后根据上述式子的计算方法得得校准后的压力值P，

如30℃下，AD_常温=3680，由以上所述获得该温度下，压力为80kpa时，压力传感器对应的AD值，即AD_前=3500；95kpa对应AD_后=3700，则该温度下，测量的压力值为p=80+(95-80)*(3680-3500)/(3700-3500)=93.5Kpa，即为校正后的压力值。

表-5为对上述传感器的在不同温度下的压力测试值：。

表-6

T(℃)	-10	10	30	45	50	65
							标准表测试值	98.7	98.7	98.7	98.7	98.7	98.7
测试表测试值	98.5	98.6	98.9	98.8	98.9	98.4
							偏差（%）	0.2	0.1	0.2	0.1	0.2	0.3

从该测试表可以看出通过本发明所述的方法进行校正后的传感器，测试值得误差范围能够控制在0.3%以内，精确度有比较大的提高。

Claims (5)

1.一种带温度补偿的压力传感器校准方法，包括以下步骤：

步骤1：在常温T₀下，由压力源向压力传感器提供一组压力值P₀、P₁、P₂、...、P_m，并记录对应压力下压力传感器的AD值，AD₀、AD₁、AD₂、...AD_m，对应关系如下表一：

表一

P(kpa) P₀ P₁ P₂ ... P_m AD AD₀ AD₁ AD₂ ... AD_m

将该表的数据存入所述压力传感器的压力参数表中；

步骤2：根据步骤1中所得的数据，通过计算得到常温T₀下所述压力传感器的零点漂移值a_T0和灵敏度漂移值b_T0，其中： $a_{T0}=\frac{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_i^2\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\stackrel{\‾}{y}}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_i\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\stackrel{\‾}{y}}_i{p}_i}{m\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_i\right)}^2},$ $b_{T0}=\frac{m\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\stackrel{\‾}{y}}_i{p}_i-\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_i\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\stackrel{\‾}{y}}_i}{m\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{p}_i\right)}^2}$

上述式子中：m为测试点个数，p_i为提供的标准压力值，为传感器AD值的平均值；

步骤3：根据上述获取常温T₀下所述压力传感器的零点漂移值a_T0和灵敏度漂移值b_T0的方法，获得其它测试温度点下，所述压力传感器对应的零度漂移值和灵敏度漂移值，如表二所示：

表二

T T₁ T₂ ... T_n a a_T1 a_T2 ... a_Tn b b_T1 b_T2 ... b_Tn

步骤4：将上述在温度T₀、T₁、T₂、...、T_n，所述压力传感器对应的零度漂移值和灵敏度漂移值(a_T0，b_T0)，(a_T1，b_T1)，(a_T2，b_T2),...,(a_Tn，b_Tn)，通过曲线拟合，可得所述压力传感器在全温度范围内的零点漂移值和灵敏度漂移值；步骤5：将任意温度T_n下的压力AD_Tn值转化为常温下该压力下的AD_常温值，AD_常温＝a₀+b₀(AD_Tn-a_Tn)/b_Tn；

步骤6：将步骤5得到的AD_常温，对照上述表一，寻找AD_常温前后与其大小相差最小的AD值，即AD_前、AD_后及其对应的压力P_前、P_后，利用线性插值法得到实际压力值P，即为校准后的压力值：

P＝P_前+(P_后-P_前)(AD_常温-AD_前)/(AD_后-AD_前)。

2.根据权利要求1所述的带温度补偿的压力传感器校准方法，其特征在于，选取的测试温度点，相邻特定温度点间的差值为20摄氏度。

3.根据权利要求1所述的带温度补偿的压力传感器校准方法，其特征在于，压力测试点从70K～800K压力范围内选取8个压力点。

4.根据权利要求1所述的带温度补偿的压力传感器校准方法，其特征在于，所述的全温度范围为压力传感器能够工作的温度范围，该温度范围为-30℃～70℃。

5.根据权利要求1或2所述的带温度补偿的压力传感器校准方法，其特征在于，还包括一个在不同温度下测试压力传感器压力值的验证步骤。