CN108151919B - 一种压力传感器温漂补偿电路及补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力传感器温漂补偿电路，包括相减器，相减器包括运算放大器、二极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，运算放大器的输出端与压敏惠斯通电桥的输入端相连，运算放大器的反相输入端通过第一电阻与相减器的输入电源相连，运算放大器的反相输入端与输出端之间通过第二电阻相连，运算放大器的同相输入端通过第三电阻与大地相连、并通过二极管与输入电源相连，二极管的正极与输入电源相连，二极管的负极与运算放大器的同相输入端相连。本发明还相应公开了一种补偿方法，为，调整调整第二电阻与第一电阻的比值，以使压力传感器的零点温漂β等于|α|，其中α为相减器输出电压VO的温度系数。本发明的电路及方法均具有提高补偿精度等优点。

Description

一种压力传感器温漂补偿电路及补偿方法
技术领域
本发明主要涉及压力测量技术领域，特指一种压力传感器温漂补偿电路及补偿方法。
背景技术
目前，压力传感器在航空航天、工业、汽车电子、人工智能、医学、气象等领域均有着广泛的应用，各个应用领域也对其性能指标提出了越来越高的要求。
现在应用最为广泛的压力传感器主要包括扩散硅压阻式压力传感器和溅射薄膜压力传感器，两种原理的压力传感器内部都包含惠斯通压力敏感电桥，无论是扩散硅电阻还是金属膜电阻，都具有正温度系数特性，随着温度的升高，其电阻会变大，在恒压供电的情况下，随着温度的变化，流过惠斯通压敏电桥的电流也会发生变化，惠斯通电桥输出的差分电压也随之发生变化，因此，压力传感器会因为温度漂移导致精度变差，尤其是扩散硅压力传感器，这个误差可达到0.15％FS/℃，未经温度补偿的产品在绝大部分场合都无法应用。
针对压力传感器灵敏度温漂问题，相关科研技术人员提出了很多解决方案，主要包括两大类，一类是软件补偿方式，如论文《硅压阻式数字压力传感器的研究》，它是将微处理器和压力传感器结合起来，利用一定的软件算法对传感器在各温度点下的温漂误差进行修正，其优点是补偿精度较高，缺点是系统较为复杂，可靠性差；另一类是硬件补偿方式，如专利《一种压力传感器温度补偿方法》(专利号CN105784215A)，它是在系统中加入一个附加电路，使其产生一个与传感器温度漂移值大小一致、极性相反的信号，两者相互抵消而实现补偿，其优点是产品简单，可靠性高，在军工等高可靠性要求领域有着广泛的应用。具体地，专利CN105784215A结合二极管PN结正向导通压降的负温度系数特性，将二极管与压敏惠斯通电桥串联使用，在不同的温度条件下自动补偿压敏惠斯电桥的供电电压，使流经敏感电桥的电流保持稳定，从而起到温度补偿的作用。但是由于工艺方法的差异性，每种压敏惠斯通电桥的温度特性会不同，而专利CN105784215A主要通过改变串联二极管的的数量来实现不同种类传感器的温度补偿，其中采用的二极管2CK4148压降随温度变化率ΔVt≈-2.5mV/℃，并近似线性，在10V恒压供电情况下，其可补偿的压力传感器温度系数为TC≈n*0.025％FS/℃(n为二极管的个数)，这种方式主要存在两个缺点，第一个缺点是二极管数量计算方法比较复杂，计算结果不一定准确；第二个缺点是无法精确补偿传感器灵敏度温度系数，因为二极管的个数只能是整数，因此不是欠补偿就是过补偿，产品理论上可做到的补偿后灵敏度温漂β＝±0.0125％FS/℃，显然不能满足当前很多应用场合的宽温区、高精度要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、补偿精度高的压力传感器温漂补偿电路，并相应提供一种实现简单、补偿精度高的补偿方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种压力传感器温漂补偿电路，包括相减器，所述相减器包括运算放大器、二极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述运算放大器的输出端与压力传感器的压敏惠斯通电桥的输入端相连，所述运算放大器的反相输入端通过第一电阻与相减器的输入电源相连，所述运算放大器的反相输入端与输出端之间通过第二电阻相连，所述运算放大器的同相输入端通过第三电阻与大地相连、并通过二极管与输入电源相连，所述二极管的正极与输入电源相连，所述二极管的负极与运算放大器的同相输入端相连；所述第二电阻与第一电阻的比值可调以补偿压力传感器的零点温漂。
优选地，还包括稳压单元、用于提供相减器稳定的输入电源。
优选地，所述稳压单元包括三端稳压器，所述三端稳压器的输出端与所述相减器的输入端相连。
优选地，所述三端稳压器的输入端连接有滤波单元。
优选地，所述三端稳压器的输入端并联有瞬态抑制二极管、用于吸收瞬态高频干扰。
优选地，还包括用于补偿压力传感器的热零点温漂的第四电阻，所述第四电阻的两端分别连接压敏惠斯通电桥的输入端和输入正端。
本发明还相应公开了一种基于如上所述的压力传感器温漂补偿电路的补偿方法，过程为，调整第二电阻与第一电阻的比值，以使压力传感器的零点温漂β等于|α|，其中α为相减器输出电压VO的温度系数。
优选地，具体包括以下步骤：
S01、获取二极管的压降随温度变化的变化率ΔVt和相减器的输出电压值VO；
S02、调整第二电阻与第一电阻的比值，使相减器的输出电压VO的温度系数α的绝对值等于压力传感器的零点温漂β；其中
Figure BDA0001472837170000021
其中R2为第一电阻、R3为第二电阻。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的压力传感器温漂补偿电路及补偿方法，利用二极管正向压降的负温度系数特性，通过硬件电路实现对二极管压降的任意倍数放大，再将放大后的压降和压敏惠斯通电桥进行串联，可精确补偿压敏惠斯通电桥的温漂，理论补偿后温漂可为0；本发明的电路结构简单、元器件少、实现起来较简单、补偿精度高，不存在过补偿或者欠补偿的问题；补偿方法无需繁琐的计算，实现简单。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例的压力传感器温漂补偿电路，包括相减器，其中相减器包括运算放大器U2A、二极管D2、第一电阻R2、第二电阻R3和第三电阻R4，运算放大器的输出端与压力传感器的压敏惠斯通电桥的输入端相连，运算放大器的反相输入端通过第一电阻与相减器的输入电源相连，运算放大器的反相输入端与输出端之间通过第二电阻相连，运算放大器的同相输入端通过第三电阻与大地相连、并通过二极管与输入电源相连，二极管的正极与输入电源相连，二极管的负极与运算放大器的同相输入端相连；第二电阻与第一电阻的比值可调以补偿压力传感器的零点温漂。本发明的压力传感器温漂补偿电路，利用二极管正向压降的负温度系数特性，通过硬件电路实现对二极管D2压降的任意倍数放大，再将放大后的压降和压敏惠斯通电桥进行串联，可精确补偿压敏惠斯通电桥的温漂，理论补偿后温漂可为0；本发明的电路结构简单、元器件少、实现起来较简单、补偿精度高，不存在过补偿或者欠补偿的问题。
本实施例中，还包括稳压单元、用于提供相减器稳定的输入电源；具体地，稳压单元包括三端稳压器U1，三端稳压器的输出端与相减器的输入端相连，由于U1为三端稳压器，可以输出稳定的电压Vref，而在一定范围内不会随输入电压变化而波动；Vref的大小可以通过选择不同型号的三端稳压器来调节。三端稳压器的输入端连接有滤波单元(如图1中由R1、C1构成的低通RC滤波器)，对其输入电源进行滤波；另外三端稳压器的输入端并联有瞬态抑制二极管(如图1中的D1)、用于吸收瞬态高频干扰。
本实施例中，还包括用于补偿压力传感器的热零点温漂的第四电阻，第四电阻的两端分别连接压敏惠斯通电桥的输入端和输入正端；另外压敏惠斯通电桥与大地相连的输入端分别连接有电阻R5和R6，用于调节压力传感器的零点输出。
本实施例中，D2为补偿二极管，选择普通的整流二极管即可，如1N4001、2CZ101、2CK4148等型号均可，选择相应的型号后需要测试其导通压降温度变化率ΔVt；另外U2A选择对轨输出运放。
本发明还相应公开了一种基于如上所述的压力传感器温漂补偿电路的补偿方法，过程为：调整第二电阻与第一电阻的比值，以使压力传感器的零点温漂β等于|α|，其中α为相减器输出电压VO的温度系数。
本发明的补偿方法同样具有如上补偿电路所述的优点，而且不需要繁琐的计算，实现简单。
下面结合一具体实施例对本发明的补偿方法做进一步说明：
1、计算压力传感器的热灵敏度系数
首先将未经补偿的压敏惠斯通电桥放入高低温试验箱中，供电电压设置为VO，分别在室温环境、上限工作温度、下限工作温度下恒温1h，记录上述各温度点下的满量程输出值，按公式(1)即可计算出压力传感器的热灵敏度系数β(零点温漂值)：
Figure BDA0001472837170000041
式中：
β—热灵敏度系数，单位为％FS/℃；
t1—20℃；
t2—分别为上限工作温度或下限工作温度，单位：℃；
YFS(t1)—标定时满度输出和下限压力点输出的差值，单位：mV；
YFS(t2)—分别为上限工作温度或下限工作温度时的满量程输出值，单位：mV。
根据经验，硅压阻型压力传感器的热灵敏度系数β一般满足(0.1±0.05)％FS/℃，溅射薄膜型压力传感器的热灵敏度系数β一般满足(0.05±0.02)％FS/℃。
2、确定补偿电路中
Figure BDA0001472837170000042
值
首先计算相减器的输出电压值
Figure BDA0001472837170000043
式中：
VO—运放输出电压；
ΔV—二极管D2压降；
R2、R3—电阻R2、R3的阻值；
压敏惠斯通电桥的供电电压即为VO，其中Vref通过选择低温漂移三端稳压器随温度变化很小，可以忽略不计，因此电压VO的温度变化率Vot如式(3)所示，单位为mv/℃。
Figure BDA0001472837170000051
则VO的温度系数α如式(4)所示：
Figure BDA0001472837170000052
让β＝|α|，即可完全补偿传感器的零点温漂，即令
Figure BDA0001472837170000053
其中β、ΔVt、VO为已知量，即可算出
Figure BDA0001472837170000054
值。
示例：二极管D2采用2CK4148，其ΔVt≈-2.5mV/℃、VO设置为10V，压力敏感元件采用某SOI压敏芯片，经测试和计算其温漂β＝0.07％FS/℃，则
Figure BDA0001472837170000055
选择R2＝1K，R3＝1.8K则可以完全补偿传感器的热灵敏度系数(零点温漂)。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压力传感器温漂补偿电路，其特征在于，包括相减器，所述相减器包括运算放大器、二极管、第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述运算放大器的输出端与压力传感器的压敏惠斯通电桥的输入端相连，所述运算放大器的反相输入端通过第一电阻与相减器的输入电源相连，所述运算放大器的反相输入端与输出端之间通过第二电阻相连，所述运算放大器的同相输入端通过第三电阻与大地相连、并通过二极管与输入电源相连，所述二极管的正极与输入电源相连，所述二极管的负极与运算放大器的同相输入端相连；所述第二电阻与第一电阻的比值可调以补偿压力传感器的零点温漂；
还包括用于补偿压力传感器的热零点温漂的第四电阻，所述第四电阻的两端分别连接压敏惠斯通电桥的输入端和输入正端。
2.根据权利要求1所述的压力传感器温漂补偿电路，其特征在于，还包括稳压单元、用于提供相减器稳定的输入电源。
3.根据权利要求2所述的压力传感器温漂补偿电路，其特征在于，所述稳压单元包括三端稳压器，所述三端稳压器的输出端与所述相减器的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的压力传感器温漂补偿电路，其特征在于，所述三端稳压器的输入端连接有滤波单元。
5.根据权利要求3所述的压力传感器温漂补偿电路，其特征在于，所述三端稳压器的输入端并联有瞬态抑制二极管、用于吸收瞬态高频干扰。
6.一种基于如权利要求1至5中任意一项所述的压力传感器温漂补偿电路的补偿方法，其特征在于，调整第二电阻与第一电阻的比值，以使压力传感器的零点温漂β等于|α|，其中α为相减器输出电压VO的温度系数。
7.根据权利要求6所述的补偿方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S01、获取二极管的压降随温度变化的变化率ΔVt和相减器的输出电压值VO；
S02、调整第二电阻与第一电阻的比值，使相减器的输出电压VO的温度系数α的绝对值等于压力传感器的零点温漂β；其中
Figure FDA0002541552810000011
其中R2为第一电阻、R3为第二电阻。
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