CN107907250B - 一种硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种硅‑蓝宝石压力传感器的温度补偿方法及装置，该方法结合硅‑蓝宝石压力传感器温度漂移特性设计了一种结合最小二乘线性拟合及抛物线插值的补偿算法，与传统线性补偿算法相比，该算法得到的压力温度关系曲线更贴近实际压力温度变化规律，因此很好地解决了传统线性补偿算法存在的补偿误差较大的问题，具有比较好的补偿效果。同时本发明提出的补偿装置，将压力传感器和温度传感器设计为一体化结构，一方面简化了传感器结构，另一方面与分体式结构相比，所测温度更接近压力传感器真实工作温度，具有更好的补偿效果。

Description

一种硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法及装置
技术领域
本发明是一种硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法及装置，属于测量技术领域。
背景技术
硅-蓝宝石压力传感器是一种耐高温的压力传感器，其敏感单元是由单晶硅电阻和蓝宝石膜片组成的硅-蓝宝石膜片。当压力作用于传感器时，膜片受力变形，膜上电阻因为压阻效应而阻值发生改变，由这些电阻组成的惠斯顿电桥输出与压力成正比的电压信号，从而实现压力的测量。由于硅-蓝宝石压力传感器的工作温区较宽，且材料易受温度影响等因素，温度漂移会对传感器测量精度产生很大的影响。
传感器的温度补偿方法分为硬件补偿和软件补偿两大类。硬件补偿是通过在电路中加入电阻、二极管、运算放大器等元件来实现温度补偿的，这种方法在元件参数的选择上难度较大，灵活性不高，补偿效果不理想。软件补偿将传感器输出的电压信号转换成数字量，然后在处理器中利用相应的算法进行补偿处理。软件补偿方法灵活性高，补偿效果好，是目前研究的主流技术。软件补偿方法的核心是补偿算法，常用的补偿算法包括插值法、拟合法、神经网络法等。针对不同的传感器，插值点的个数，拟合的阶数等都需要特别设计。受到处理器运算速度和内存的限制，算法的复杂性也是需要考虑的因素。寻找一种适合硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿模型对于提高其补偿效果至关重要。国内外针对硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿研究较少，目前还没有特别有效的补偿方案。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计，提供了一种硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法及装置，其目的是对传感器的温度漂移进行补偿，提高其测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提出一种硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、标定点获取
对压力传感器给定的温度和压力区间进行均匀分段，确定温度分段点和压力分段点，并对温度分段点和压力分段点进行标定，其中，温度区间的分段点为m个，表示为T1、T2…Tm，压力区间的分段点为n个，表示为P1、P2…Pn，测量每一个温度区间的分段点Ti(i∈{1、2…m})对应所有压力区间的n个分段点Pj(j∈{1、2…n})的输出电压Uij；
步骤二、最小二乘线性拟合
利用最小二乘法计算出每一个温度区间的分段点Ti下，压力传感器所受压力与输出电压的线性关系为：
步骤三、补偿区间确定
测量某一温度Tx和压力下的电压输出Ux，其中温度Tx由温度传感器测得，寻找离Tx最近的3个温度分段点Ta、Ta+1、Ta+2(a∈{1、2…m-2})，则Ta～Ta+2为补偿区间，将电压输出Ux代入式(1)中，得到与3个温度分段点Ta、Ta+1、Ta+2对应的温度分段点压力值Pa、Pa+1、Pa+2，即：
步骤四、抛物线插值
利用(Ta,Pa)、(Ta+1,Pa+1)、(Ta+2,Pa+2)三个点确定一条抛物线方程，采用拉格朗日插值法得到抛物线解析式为：
步骤五、补偿后压力值计算
将Tx代入式(3)，得到补偿后的与温度Tx和电压输出Ux对应的压力值Px，即：
本发明技术方案还提出一种用于上述硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法的装置，其特征在于：该装置包括一个硅-蓝宝石压力传感器1，硅-蓝宝石压力传感器1的引压端上固定一个安装座4，安装座4前端安装一个引压外壳3，引压外壳3内部加工有将外部压力引入的通道，在安装座4的后端固定一个外壳5将硅-蓝宝石压力传感器1包围在其内腔中，在安装座4上设置一个温度传感器2，温度传感器2的测量端位于引压外壳3内部的通道内。
本发明提出的一种硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法及装置，结合硅-蓝宝石压力传感器温度漂移特性设计了一种结合最小二乘线性拟合及抛物线插值的补偿算法，与传统线性补偿算法相比，该算法得到的压力温度关系曲线更贴近实际压力温度变化规律，因此很好地解决了传统线性补偿算法存在的补偿误差较大的问题，具有比较好的补偿效果。同时本发明提出的补偿装置，将压力传感器和温度传感器设计为一体化结构，一方面简化了传感器结构，另一方面与分体式结构相比，所测温度更接近压力传感器真实工作温度，具有更好的补偿效果。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)、本发明提出的补偿算法针对硅-蓝宝石压力传感器的温度漂移特性进行设计，并进行了实验验证，补偿精度较高，具有比较好的补偿效果。
(2)、本发明提出的补偿算法的算法复杂性较小，对处理器的运算速度要求不高。
(3)、本发明提出的补偿算法利用了分段抛物线插值法，部分标定点的改变对算法的影响较小，可调节性较高。
(4)、本发明提出的补偿装置，将压力传感器和温度传感器设计成一体化结构，一方面简化了传感器结构，另一方面与分体式结构相比，所测温度更接近压力传感器真实工作温度，具有更好的补偿效果。
附图说明
图1为用于本发明所述硅-蓝宝石压力传感器温度的补偿方法的装置的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1所示，该种用于本发明所述硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法的装置包括一个硅-蓝宝石压力传感器1，硅-蓝宝石压力传感器1的引压端上固定一个安装座4，安装座4前端安装一个引压外壳3，引压外壳3内部加工有将外部压力引入的通道，在安装座4的后端固定一个外壳5将硅-蓝宝石压力传感器1包围在其内腔中，在安装座4上设置一个PT100温度传感器2，PT100温度传感器2的测量端位于引压外壳3内部的通道内。硅-蓝宝石压力传感器1与PT100温度传感器2探头部分直接接触到被测介质，可同时获取压力值和温度值。
采用上述装置进行硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法的步骤如下：
步骤一、标定点获取
对压力传感器给定的温度和压力区间进行均匀分段，确定温度分段点和压力分段点，并对温度分段点和压力分段点进行标定，其中，温度区间的分段点为m个，表示为T1、T2…Tm，压力区间的分段点为n个，表示为P1、P2…Pn，测量每一个温度区间的分段点Ti(i∈{1、2…m})对应所有压力区间的n个分段点Pj(j∈{1、2…n})的输出电压Uij；
步骤二、最小二乘线性拟合
利用最小二乘法计算出每一个温度区间的分段点Ti下，压力传感器所受压力与输出电压的线性关系为：
步骤三、补偿区间确定
测量某一温度Tx和压力下的电压输出Ux，其中温度Tx由温度传感器测得，寻找离Tx最近的3个温度分段点Ta、Ta+1、Ta+2(a∈{1、2…m-2})，则Ta～Ta+2为补偿区间，将电压输出Ux代入式(1)中，得到与3个温度分段点Ta、Ta+1、Ta+2对应的中间压力值Pa、Pa+1、Pa+2，即
步骤四、抛物线插值
利用(Ta,Pa)、(Ta+1,Pa+1)、(Ta+2,Pa+2)三个点确定一条抛物线方程，采用拉格朗日插值法得到抛物线解析式为：
步骤五、补偿后压力值计算
将Tx代入式(3)，得到补偿后的与温度Tx和电压输出Ux对应的压力值Px，即：
上述实施例中使用的是硅-蓝宝石压力传感器的压力量程0～28MPa、温度范围-20～250℃，通过上述实验研究，得出硅-蓝宝石压力传感器输出电压与压力成正比，与温度成抛物线关系的结论。本发明设计的算法对压力进行线性拟合，对温度进行分段抛物线插值，能够最大限度对传感器温度漂移进行补偿。
本发明算法过程中，未出现多个未知量或高阶次的拟合，也没有高阶次的插值，算法比较简单，对处理器的运算速度要求不高。
当某个标定点发生漂移时，只需改变对应的标定点，式(1)到式(4)无需改变，所以算法便于调节。实验结果证明该补偿算法补偿效果较好。

Claims (3)

1.一种硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一、标定点获取
对压力传感器给定的温度和压力区间进行均匀分段，确定温度分段点和压力分段点，并对温度分段点和压力分段点进行标定，其中，温度区间的分段点为m个，表示为T1、T2…Tm，压力区间的分段点为n个，表示为P1、P2…Pn，测量每一个温度区间的分段点Ti(i∈{1、2…m})对应所有压力区间的n个分段点Pj(j∈{1、2…n})的输出电压Uij；
步骤二、最小二乘线性拟合
利用最小二乘法计算出每一个温度区间的分段点Ti下，压力传感器所受压力与输出电压的线性关系为：
步骤三、补偿区间确定
测量某一温度Tx和压力下的电压输出Ux，其中温度Tx由温度传感器测得，寻找离Tx最近的3个温度分段点Ta、Ta+1、Ta+2(a∈{1、2…m-2})，则Ta～Ta+2为补偿区间，将电压输出Ux代入式(1)中，得到与3个温度分段点Ta、Ta+1、Ta+2对应的温度分段点压力值Pa、Pa+1、Pa+2，即：
步骤四、抛物线插值
利用(Ta,Pa)、(Ta+1,Pa+1)、(Ta+2,Pa+2)三个点确定一条抛物线方程，采用拉格朗日插值法得到抛物线解析式为：
步骤五、补偿后压力值计算
将Tx代入式(3)，得到补偿后的与温度Tx和电压输出Ux对应的压力值Px，即
2.一种用于权利要求1所述硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法的装置，其特征在于：该装置包括一个硅-蓝宝石压力传感器(1)，硅-蓝宝石压力传感器(1)的引压端上固定一个安装座(4)，安装座(4)前端安装一个引压外壳(3)，引压外壳(3)内部加工有将外部压力引入的通道，在安装座(4)的后端固定一个外壳(5)将硅-蓝宝石压力传感器(1)包围在其内腔中，在安装座(4)上设置一个温度传感器(2)，温度传感器(2)的测量端位于引压外壳(3)内部的通道内。
3.根据权利要求2所述的用于权利要求1所述硅-蓝宝石压力传感器的温度补偿方法的装置，其特征在于：温度传感器(2)为PT100温度传感器。
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