CN109668674B - 一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，包括温控恒压源、零点温漂补偿电路、增益调节电路、零点电压调整电路及减法器，所述零点温漂补偿电路分别与温控恒压源及增益调节电路连接，所述减法器分别与增益调节电路及零点电压调整电路连接。本发明还提供一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿方法，采用全模拟电路的温度补偿方法实现硅压阻式压力传感器‑55℃到125℃全温度范围内0.4％FS精度、输出0.5V～4.5V的要求。

Description

一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路及方法

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，尤其涉及一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路及方法。

背景技术

现有硅压阻式压力传感器的温度补偿方法一般分为数字补偿方法和模拟补偿方法。

数字补偿方法：采用专用的压力传感器调理芯片，对温度和压力进行补偿，内置MCU及FLASH存储芯片，其缺点是FLASH储存芯片的温度适应范围比较窄，且存储寿命有时间要求。

模拟补偿方法：现有的模拟方法大多采用两个步骤补偿，先零点补偿，通过在电桥上串并联低温漂电阻使电桥输出至零点，再通过用负温度系数的NTC电阻或二极管进行灵敏度温漂补偿。其缺点是精度只能补偿到1.2％左右，精度较低。

有鉴于此，本发明研发出一种硅压阻式压力传感器高精度温度补偿方法，补偿后的压力传感器能在-55℃至125℃温度范围内工作，输出精度小于0.4％FS，本案由此产生。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，采用全模拟电路的温度补偿方法实现硅压阻式压力传感器-55℃到125℃全温度范围内0.4％FS精度、输出0.5V～4.5V的要求。

本发明要解决的技术问题之一，是这样实现的：

一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，包括温控恒压源、零点温漂补偿电路、增益调节电路、零点电压调整电路及减法器，所述零点温漂补偿电路分别与温控恒压源及增益调节电路连接，所述减法器分别与增益调节电路及零点电压调整电路连接。

进一步地，所述温控恒压源包括运算放大器U4A、接口P2、PTC热敏电阻RT1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电阻R9、电阻R_a1、电阻R_b1、电阻R_c1、电阻R_d1、电阻R_S1、电阻R_S2、电阻R_S3、电阻R_S4、电阻R_P1及电阻R_P2，所述运算放大器U4A同向输入端分别与电阻R6的一端和电阻R9的一端连接，所述电阻R6的另一端连接至电源，所述运算放大器U4A反向输入端分别与电阻R2的一端和PTC热敏电阻RT1的一端连接，所述PTC热敏电阻RT1的另一端连接至电阻R3的一端，所述运算放大器U4A的输出端分别与电阻R3的另一端、电阻R_S1的一端、电阻R_S2的一端、电阻R_a1的一端、电阻R_d1的一端和零点温漂补偿电路的输入端的一端点连接，所述接口P2的第四引脚连接至电源，所述接口P2的第一引脚、电阻R9的另一端、电阻R2的另一端、电阻R_S3另一端的和电阻R_S4的另一端接地；所述接口P2的第二引脚、电阻R_S1的另一端、电阻R_a1的另一端、电阻R_P1的另一端和电阻R_b1的另一端连接于零点温漂补偿电路的输出端的一端点，所述接口P2的第三引脚、电阻R_S2的另一端、电阻R_d1的另一端、电阻R_P2的另一端和电阻R_c1的另一端连接于零点温漂补偿电路的输出端的另一端点。

进一步地，所述零点温漂补偿电路包括压力传感器的惠斯通电桥、电阻R_S5及电阻R_P3，所述惠斯通电桥包括电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3及电阻R_q4，所述电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3和电阻R_q4首尾依次连接，所述电阻R_S5串联于电阻R_q2和电阻R_q3之间，所述电阻R_P3并联于电阻R_q4的两端，所述电阻R_q1和电阻R_q4相连的一端连接于增益调节电路的输入端U_in+，所述电阻R_S5和电阻R_q3相连的一端连接于增益调节电路的输入端U_in-，所述输入端U_in+还连接于运算放大器U4A的输出端，所述输入端U_in-接地；所述电阻R_q3和电阻R_q4相连的一端连接于温控恒压源的输出端U_o+，所述电阻R_q1和电阻R_q2相连的一端连接于温控恒压源的输出端U_o-，所述输出端U_o+还连接于接口P2的第二引脚、电阻R_S1的另一端、电阻R_a1的另一端、电阻R_P1的另一端和电阻R_b1的另一端，所述输出端U_o-还连接于接口P2的第三引脚、电阻R_S2的另一端、电阻R_d1的另一端、电阻R_P2的另一端和电阻R_c1的另一端。

进一步地，所述增益调节电路包括运算放大器U4B、运算放大器U4C、运算放大器U4D、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R11及电阻R12，所述运算放大器U4B的同向输入端连接至温控恒压源的输出端U_o-，所述运算放大器U4B的反向输入端分别与电阻R7的一端和电阻R8的一端连接，所述运算放大器U4B的输出端分别与电阻R7的另一端和电阻R4的一端连接，所述运算放大器U4D的同向输入端连接至温控恒压源的输出端U_o+，所述运算放大器U4D的反向输入端分别与电阻R8的另一端和电阻R10的一端连接，所述运算放大器U4D的输出端分别与电阻R10的另一端和电阻R11的一端连接，所述运算放大器U4C的反向输入端分别与电阻R4的另一端和电阻R5的一端连接，所述运算放大器U4C的同向输入端分别与电阻R11的另一端和电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端接地，所述运算放大器U4C的输出端分别与电阻R5的另一端和减法器连接。

进一步地，所述零点电压调整电路包括运算放大器U5C、电阻R15、电阻R16、电阻R19及电阻R20，所述运算放大器U5C的反向输入端分别与电阻R15的一端和电阻R16的一端连接，所述运算放大器U5C的同向输入端分别电阻R19的一端和电阻R20的一端连接，所述电阻R19的另一端连接至电源，所述电阻R15的另一端和电阻R20的另一端接地，所述运算放大器U5C的输出端分别与电阻R16的另一端和减法器连接。

进一步地，所述减法器包括运算放大器U5A、电阻R13、电阻R14、电阻R17及电阻R18，所述运算放大器U5A的同向输入端分别与电阻R13的一端和电阻R14的一端连接，所述电阻R13的另一端连接至增益调节电路，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U5A的反向输入端分别与电阻R17的一端和电阻R18的一端连接，所述电阻R17的另一端连接至零点电压调整电路，所述运算放大器U5A的输出端与电阻R18的另一端连接。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿方法，采用全模拟电路的温度补偿方法实现硅压阻式压力传感器-55℃到125℃全温度范围内0.4％FS精度、输出0.5V～4.5V的要求。

本发明要解决的技术问题之二，是这样实现的：

一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿方法，所述高精度温度补偿方法需提供上述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，包括如下步骤：

步骤S1、利用正温度系数的PTC热敏电阻和运算放大器组成随温度上升而输出电压也升高的温控恒压源，通过所述温控恒压源产生一个正温度系数的电桥电压来抵消负温度系数的灵敏度温漂，从而实现对压力传感器灵敏度温漂进行补偿；

步骤S2、在压力传感器的电桥上串联一个固定电阻，并在其中一个桥臂上并联另一个固定电阻，使桥臂电阻中两个相对桥臂的电阻其压敏系数的温度系数调整为相同，通过所述零点温漂补偿电路使电桥的零点输出达到某一电压值，该电压值的范围是用户根据实际情况自行设定的；

步骤S3、通过所述增益调节电路对电桥输出的差分信号进行放大，放大倍数根据所需量程调整；

步骤S4、通过所述零点电压调整电路对经过增益调节电路放大后的输出的零点温漂进行补偿，由运算放大器和各电阻组成不随温度变化的零点电压调整电路，通过调节各个电阻阻值对其零点输出的电压值进行调整，使得运算放大器的输出达到所需要的电压值，并根据用户要求提供对应数值的零点输出偏置；

步骤S5、通过所述减法器将由增益调节电路放大后输出的电压减去由零点电压调整电路处理后输出的电压，得到用户设定的压力传感器的输出。

进一步地，所述步骤S1具体为：

采集每个温度点下压力传感器的灵敏度温漂数据，将各温度点下的灵敏度温漂数据做倒数，假设电桥的灵敏度温漂数据的关系式为1-δT，做倒数后为1/(1-δT),其中，δ为灵敏度温度系数，T为实际温度值与基准温度差，因为δ非常小，所以将做倒数后的数据在要求的温度范围内的线性度非常好，将1-δT拟合成为1+βT的直线，其中β为电桥的激励电压U_in的温漂系数；利用PTC热敏电阻RT1、电阻R2及电阻R3构建出1+βT的放大倍数激励电源，假设PTC热敏电阻RT1的温漂系数为α，则运算放大器U4A的放大倍数为：

令即G＝M(1+βT),选定β值使得(1-δT)*(1+βT)相乘结果接近为1，即实现了灵敏度温漂补偿。

进一步地，所述步骤S2具体为：

通过调整在电桥的电阻R_q2上串联的电阻R_S5和在电阻R_q4上并联的电阻R_P3二者的阻值大小，使得调整后的输出零点为零，即:

R_q1R_q3-(R_q2+R_s5)*R_q4R_p3/(R_q4+R_p3)＝0

通过测量该压力传感器的电桥在-55°、25°和125°下电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3和电阻R_q4值，令-55°下的零点输出＝25°下的零点输出＝125°下的零点输出，求解出电阻R_P3和电阻R_S5值，从而使得零点温漂为某一固定范围。

本发明具有如下优点：本发明采用全模拟电路温度补偿的方法，采用的全是模拟电子元器件，不需要存储功能，避免了数字补偿电路中FLASH存储芯片寿命问题，可靠性得到有效提高；同时在电阻网络补偿上采用创新的温度补偿方法，实现了传感器在-55℃至125℃全温范围内补偿精度大大提高(小于0.4％FS)。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为为本发明一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路的整体结构框图。

图2为压力传感器等效惠斯通电桥的结构示意图。

图3为本发明零点温漂补偿电路的结构示意图。

图4为本发明压阻式压力传感器灵敏度随温度变化曲线图。

图5为本发明温控恒压源的结构示意图。

图6为本发明零点电压调整电路及减法器的结构示意图。

图7为本发明增益调节电路的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，包括温控恒压源、零点温漂补偿电路、增益调节电路、零点电压调整电路及减法器，所述零点温漂补偿电路分别与温控恒压源及增益调节电路连接，所述减法器分别与增益调节电路及零点电压调整电路连接。

具体地，所述温控恒压源包括运算放大器U4A、接口P2、PTC热敏电阻RT1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电阻R9、电阻R_a1、电阻R_b1、电阻R_c1、电阻R_d1、电阻R_S1、电阻R_S2、电阻R_S3、电阻R_S4、电阻R_P1及电阻R_P2，所述运算放大器U4A同向输入端分别与电阻R6的一端和电阻R9的一端连接，所述电阻R6的另一端连接至电源，所述运算放大器U4A反向输入端分别与电阻R2的一端和PTC热敏电阻RT1的一端连接，所述PTC热敏电阻RT1的另一端连接至电阻R3的一端，所述运算放大器U4A的输出端分别与电阻R3的另一端、电阻R_S1的一端、电阻R_S2的一端、电阻R_a1的一端、电阻R_d1的一端和零点温漂补偿电路的输入端的一端点连接，所述接口P2的第四引脚连接至电源，所述接口P2的第一引脚、电阻R9的另一端、电阻R2的另一端、电阻R_S3的另一端和电阻R_S4的另一端接地；所述接口P2的第二引脚、电阻R_S1的另一端、电阻R_a1的另一端、电阻R_P1的另一端和电阻R_b1的另一端连接于零点温漂补偿电路的输出端的一端点，所述接口P2的第三引脚、电阻R_S2的另一端、电阻R_d1的另一端、电阻R_P2的另一端和电阻R_c1的另一端连接于零点温漂补偿电路的输出端的另一端点；所述温控恒压源的作用是产生一个正温度系数的电桥电压，图4中的节点VINP、VINN即分别为惠斯通电桥的两个端点U_o+和U_o-。

具体地，所述零点温漂补偿电路包括压力传感器的惠斯通电桥、电阻R_S5及电阻R_P3，所述惠斯通电桥包括电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3及电阻R_q4，所述电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3和电阻R_q4首尾依次连接，所述电阻R_S5串联于电阻R_q2和电阻R_q3之间，所述电阻R_P3并联于电阻R_q4的两端，所述电阻R_q1和电阻R_q4相连的一端连接于增益调节电路的输入端U_in+，所述电阻R_S5和电阻R_q3相连的一端连接于增益调节电路的输入端U_in-，所述输入端U_in+还连接于运算放大器U4A的输出端，所述输入端U_in-接地；所述电阻R_q3和电阻R_q4相连的一端连接于温控恒压源的输出端U_o+，所述电阻R_q1和电阻R_q2相连的一端连接于温控恒压源的输出端U_o-，所述输出端U_o+还连接于接口P2的第二引脚、电阻R_S1的另一端、电阻R_a1的另一端、电阻R_P1的另一端和电阻R_b1的另一端，所述输出端U_o-还连接于接口P2的第三引脚、电阻R_S2的另一端、电阻R_d1的另一端、电阻R_P2的另一端和电阻R_c1的另一端；所述零点温漂补偿电路的作用是实现零点温漂补偿。

具体地，所述增益调节电路包括运算放大器U4B、运算放大器U4C、运算放大器U4D、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R11及电阻R12，所述运算放大器U4B的同向输入端连接至温控恒压源的输出端U_o-(图7中的节点VINN即为惠斯通电桥的端点U_o-)，所述运算放大器U4B的反向输入端分别与电阻R7的一端和电阻R8的一端连接，所述运算放大器U4B的输出端分别与电阻R7的另一端和电阻R4的一端连接，所述运算放大器U4D的同向输入端连接至温控恒压源的输出端U_o+(图7中的节点VINP即为惠斯通电桥的端点U_o+)，所述运算放大器U4D的反向输入端分别与电阻R8的另一端和电阻R10的一端连接，所述运算放大器U4D的输出端分别与电阻R10的另一端和电阻R11的一端连接，所述运算放大器U4C的反向输入端分别与电阻R4的另一端和电阻R5的一端连接，所述运算放大器U4C的同向输入端分别与电阻R11的另一端和电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端接地，所述运算放大器U4C的输出端分别与电阻R5的另一端和减法器连接；所述增益调节电路的作用是通过放大实现增益调节。

具体地，所述零点电压调整电路包括运算放大器U5C、电阻R15、电阻R16、电阻R19及电阻R20，所述运算放大器U5C的反向输入端分别与电阻R15的一端和电阻R16的一端连接，所述运算放大器U5C的同向输入端分别电阻R19的一端和电阻R20的一端连接，所述电阻R19的另一端连接至电源，所述电阻R15的另一端和电阻R20的另一端接地，所述运算放大器U5C的输出端分别与电阻R16的另一端和减法器连接；所述零点电压调整电路的作用是调整放大后的电压。

具体地，所述减法器包括运算放大器U5A、电阻R13、电阻R14、电阻R17及电阻R18，所述运算放大器U5A的同向输入端分别与电阻R13的一端和电阻R14的一端连接，所述电阻R13的另一端连接至增益调节电路，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U5A的反向输入端分别与电阻R17的一端和电阻R18的一端连接，所述电阻R17的另一端连接至零点电压调整电路，所述运算放大器U5A的输出端与电阻R18的另一端连接；所述减法器的作用是计算由增益调节电路放大后的输出电压减去由零点电压调整电路处理后的输出电压的数值。

所述运算放大器UA、运算放大器U4B、运算放大器U4C、运算放大器U4D、运算放大器U5A及运算放大器U5C均采用LM124型号。

本发明的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿方法，所述高精度温度补偿方法需提供上述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，包括如下步骤：

步骤S1、利用正温度系数的PTC热敏电阻和运算放大器组成随温度上升而输出电压也升高的温控恒压源，通过所述温控恒压源产生一个正温度系数的电桥电压来抵消负温度系数的灵敏度温漂，从而实现对压力传感器灵敏度温漂进行补偿；

步骤S2、在压力传感器的电桥上串联一个固定电阻，并在其中一个桥臂上并联另一个固定电阻，使桥臂电阻中两个相对桥臂的电阻其压敏系数的温度系数调整为相同，通过所述零点温漂补偿电路使电桥的零点输出达到某一电压值，该电压值的范围是用户根据实际情况自行设定的；电压传感器电桥原始的输出零点根据生产工艺无法做到4个桥臂电阻完全平衡，导致输出零点不为0V，且不同个体差异也很大。通常传感器组成的电阻桥有闭桥、半开桥和全开桥3种方式，由不同的工艺决定，我司生产的是半开桥方式的传感器；全开桥式传感器在桥臂上串联和并联低温漂的电阻使桥保持平衡比较容易，但温度适应范围较小，其他两种方式的传感器更难，为了实现高精度要求，本发明提出，在桥臂上串并联低温漂电阻，使桥臂电阻中两个相对桥臂的电阻其压敏系数的温度系数调整为相同，达到电桥的零点输出不随温度变化而变化，或变化非常小，但此时电桥输出不是绝对0V，而是某一固定的值。

步骤S3、通过所述增益调节电路对电桥输出的差分信号进行放大，放大倍数根据所需量程调整；

步骤S4、通过所述零点电压调整电路对经过增益调节电路放大后的输出的零点温漂进行补偿，由运算放大器和各电阻组成不随温度变化的零点电压调整电路，通过调节各个电阻阻值对其零点输出的电压值进行调整，使得运算放大器的输出达到所需要的电压值(图5中是调节电阻15、电阻16、电阻19和电阻20，来调整运算放大器U5C的输出电压值)，并根据用户要求提供对应数值的零点输出偏置；根据用户要求提供对应数值的零点输出偏置；

步骤S5、通过所述减法器将由增益调节电路放大后输出的电压减去由零点电压调整电路处理后输出的电压，得到用户设定的压力传感器的输出。

本方法应用在一款由硅压阻(MEMS芯片)制成的压力传感器，使其在(-55℃到125℃)全温度范围内输出精度≤±0.4％FS。

根据硅压阻(MEMS芯片)式压力传感器的惠斯通电桥(由两正压敏系数和两负压敏系数的压敏电阻组成惠斯通电桥)及电阻补偿网络输出的热灵敏度温漂系数为负温度系数特性Uo：

U_o＝U_inK₀(1-δT)ε (1)

其中，Uin为加在压力传感器的惠斯通电桥上的电压，K0为基准温度时的灵敏度系数，δ为灵敏度温度系数，T为实际温度值与基准温度差，ε为应变系数。

利用PTC(正温度系数)电阻网络给压力传感器的电桥提供有正温度系数特性的电压源，与压力传感器的热灵敏度温漂抵消，实现灵敏度温漂补偿。传感器电桥通过串并联电阻方式，经过放大电路后可以使其零点维持在某一电位上，同时在信号处理电路上，使用减法器实现零点补偿，从而实现热灵敏度和热零点温漂补偿的目的。

1、零点温漂补偿

零点(量程下限输出信号)温度漂移补偿网络由温度系数可忽略的固定值电阻构成，连接在电桥桥臂，实现初步的零点温度漂移补偿。基于敏感电桥相关特性参数精确测试和网络未知阻值优化计算，实现补偿网络阻值的温度漂移特性与零点温度漂移特性抵消。

补偿前：如图2所示，U_in+和U_in-是输入激励电压源的正端和负端相连，U_o+和U_o-作为压力传感器输出信号的正端和负端，电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3、电阻R_q4为压力传感器各桥臂等效电阻。

由惠斯通电桥原理可知零点输出电压为：

为使得零点输出电压为零，应使得对臂电阻的乘积相等，也即R_q1R_q3＝R_q2R_q4。

假设R_q1、R_q2、R_q3、R_q4的温漂系数分别为α₁、α₂、α₃、α₄，则当温度变化ΔT时，电桥输出为

补偿后：如图3所示，通过在电桥的R_q2上串联一个固定阻值的电阻R_S5，在R_q4上并联一个固定阻值的电阻R_P3，用于调整输出零点，使得:

R_q1R_q3-(R_q2+R_s5)*R_q4R_p3/(R_q4+R_p3)＝0 (4)

通过测量低温、常温和高温下R_q1、R_q2、R_q3和R_q4值，令常温零点输出＝低温零点输出＝高温零点输出，求解出R_P3和R_S5值，从而使得零点为不随温度变化而变化的固定电压。

2、热灵敏度温漂补偿

图4是典型的硅压阻式传感器的灵敏度温度曲线，灵敏度随着温度的升高而减小，是负温度系数，且趋于线性。压力传感器的满量程输出电压的计算公式如下：

U_in为惠斯通电桥供电电压，K为压敏电阻(这里是指压力传感器的四个桥臂的桥臂电阻，其阻值随压力变化而变化)的灵敏度系数，K₀为基准温度时的灵敏度系数，δ为灵敏度温度系数，T为实际温度值与基准温度差，ε为压敏电阻所承受的应变系数，R是基准温度时压力传感器的电阻值(初始值)，ΔR是由压力引起的电阻变化值。

从上式可以看出，压力传感器的满量程输出电压与惠斯通电桥的供电电压、压敏电阻的灵敏度系数成正比，ε是由环境气压决定，并不是固定的，在同一温度下，U_in和K是固定的，灵敏度系数K为负温度系数，如果前端提供一个具有合适的线性正温度系数激励电压，就可以抵消掉灵敏度的温漂，保持满量程输出电压不变。

采集每个温度点下压力传感器的灵敏度温漂数据，将各温度点下的灵敏度温漂数据做倒数，假设电桥的灵敏度温漂数据的关系式为1-δT，做倒数后为1/(1-δT),其中，δ为灵敏度温度系数，T为实际温度值与基准温度差，因为δ非常小，所以将做倒数后的数据在要求的温度范围内的线性度非常好，可以拟合成为1+βT的直线，其中β为电桥的激励电压U_in的温漂系数；利用图5中的PTC热敏电阻RT1及电阻R2、电阻R3构建出1+βT的放大倍数激励电源，U_o＝U_in*K₀(1-δT)*ε，构建完后，则U_o＝U_in(1+βT)*K₀(1-δT)*ε，也即U_o＝U_in*K₀*(1+βT)*(1-δT)*ε,只要(1+βT)*(1-δT)＝1，则U_o＝U_in*K₀*ε，温漂抵消了，实现灵敏度温漂的补偿。假设PTC热敏电阻RT1的温漂系数为α，则图4中的放大器U4A的放大倍数为：

令即G＝M(1+βT),只要β值合适，可使得(1-δT)*(1+βT)相乘结果接近为1，比如补偿后的要求为0.4％，那么这里的精度就要小于0.4％，比如1±0.003以内，即可实现灵敏度温漂补偿，接近1说明没有温漂了，U_in和K的乘积不随温度变化而变化了。1/(1-δT)能拟合成1+βT，也即1/(1-δT)≈1+βT，那么这样(1-δT)*(1+βT)≈1。δ的数值是通过测量传感器的数据得来的，是传感器的特性指标，一般每个传感器的δ接近但不一样。

3、输出电压：0.5V～4.5V。

根据输出电压范围要求，下限0.5V即为压力传感器的零点输出，可通过后端的零点电压调整电路进行调节。本发明中采用固定电阻对电桥零点温漂进行初步补偿并使得电桥输出始终为正，并维持在某范围值内，实现零点温漂补偿。如图6所示，运算放大器U5C、U5A运放构建的信号处理电路即可实现零点补偿。通过合理的计算补偿，可满足输出零点为0.5V的要求。比如增益调节电路(仪表放大器)输出的电压为1.2V，而最终输出需要为0.5V，则电路上参数调整使得被减的电压为0.7V，即零点电压调整电路输出的电压为0.7V，则减法器即可实现1.2-0.7＝0.5V。具体调节电路见图6左边方框。

为使压力传感器的零点输出4.5V主要通过调节后端调理电路增益将最大工作压力时的输出设置为4.5V即可。假设最大工作压力输出为5.6V，即增益调节电路(仪表放大器)输出的电压为5.6V，则设法使得被减数为1.1V，零点电压调整电路输出的电压为1.1V即可实现最终输出为5.6V-1.1V＝4.5V。增益由U4B、U4C、U4D组成的仪表放大器完成，其增益：

G1＝1+(R7+R10)/R8 (7)

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，其特征在于：包括温控恒压源、零点温漂补偿电路、增益调节电路、零点电压调整电路及减法器，所述零点温漂补偿电路分别与温控恒压源及增益调节电路连接，所述减法器分别与增益调节电路及零点电压调整电路连接；

其中，所述温控恒压源包括运算放大器U4A、接口P2、PTC热敏电阻RT1、电阻R2、电阻R3、电阻R6、电阻R9、电阻R_a1、电阻R_b1、电阻R_c1、电阻R_d1、电阻R_S1、电阻R_S2、电阻R_S3、电阻R_S4、电阻R_P1及电阻R_P2，所述运算放大器U4A同向输入端分别与电阻R6的一端和电阻R9的一端连接，所述电阻R6的另一端连接至电源，所述运算放大器U4A反向输入端分别与电阻R2的一端和PTC热敏电阻RT1的一端连接，所述PTC热敏电阻RT1的另一端连接至电阻R3的一端，所述运算放大器U4A的输出端分别与电阻R3的另一端、电阻R_S1的一端、电阻R_S2的一端、电阻R_a1的一端、电阻R_d1的一端和零点温漂补偿电路的输入端的一端点连接，所述接口P2的第四引脚连接至电源，所述接口P2的第一引脚、电阻R9的另一端、电阻R2的另一端、电阻R_S3另一端的和电阻R_S4的另一端接地；所述接口P2的第二引脚、电阻R_S1的另一端、电阻R_a1的另一端、电阻R_P1的另一端和电阻R_b1的另一端连接于零点温漂补偿电路的输出端的一端点，所述接口P2的第三引脚、电阻R_S2的另一端、电阻R_d1的另一端、电阻R_P2的另一端和电阻R_c1的另一端连接于零点温漂补偿电路的输出端的另一端点；

其中，所述零点温漂补偿电路包括压力传感器的惠斯通电桥、电阻R_S5及电阻R_P3，所述惠斯通电桥包括电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3及电阻R_q4，所述电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3和电阻R_q4首尾依次连接，所述电阻R_S5串联于电阻R_q2和电阻R_q3之间，所述电阻R_P3并联于电阻R_q4的两端，所述电阻R_q1和电阻R_q4相连的一端连接于增益调节电路的输入端U_in+，所述电阻R_S5和电阻R_q3相连的一端连接于增益调节电路的输入端U_in-，所述输入端U_in+还连接于运算放大器U4A的输出端，所述输入端U_in-接地；所述电阻R_q3和电阻R_q4相连的一端连接于温控恒压源的输出端U_o+，所述电阻R_q1和电阻R_q2相连的一端连接于温控恒压源的输出端U_o-，所述输出端U_o+还连接于接口P2的第二引脚、电阻R_S1的另一端、电阻R_a1的另一端、电阻R_P1的另一端和电阻R_b1的另一端，所述输出端U_o-还连接于接口P2的第三引脚、电阻R_S2的另一端、电阻R_d1的另一端、电阻R_P2的另一端和电阻R_c1的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，其特征在于：所述增益调节电路包括运算放大器U4B、运算放大器U4C、运算放大器U4D、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R11及电阻R12，所述运算放大器U4B的同向输入端连接至温控恒压源的输出端U_o-，所述运算放大器U4B的反向输入端分别与电阻R7的一端和电阻R8的一端连接，所述运算放大器U4B的输出端分别与电阻R7的另一端和电阻R4的一端连接，所述运算放大器U4D的同向输入端连接至温控恒压源的输出端U_o+，所述运算放大器U4D的反向输入端分别与电阻R8的另一端和电阻R10的一端连接，所述运算放大器U4D的输出端分别与电阻R10的另一端和电阻R11的一端连接，所述运算放大器U4C的反向输入端分别与电阻R4的另一端和电阻R5的一端连接，所述运算放大器U4C的同向输入端分别与电阻R11的另一端和电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端接地，所述运算放大器U4C的输出端分别与电阻R5的另一端和减法器连接。

3.根据权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，其特征在于：所述零点电压调整电路包括运算放大器U5C、电阻R15、电阻R16、电阻R19及电阻R20，所述运算放大器U5C的反向输入端分别与电阻R15的一端和电阻R16的一端连接，所述运算放大器U5C的同向输入端分别电阻R19的一端和电阻R20的一端连接，所述电阻R19的另一端连接至电源，所述电阻R15的另一端和电阻R20的另一端接地，所述运算放大器U5C的输出端分别与电阻R16的另一端和减法器连接。

4.根据权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，其特征在于：所述减法器包括运算放大器U5A、电阻R13、电阻R14、电阻R17及电阻R18，所述运算放大器U5A的同向输入端分别与电阻R13的一端和电阻R14的一端连接，所述电阻R13的另一端连接至增益调节电路，所述电阻R14的另一端接地，所述运算放大器U5A的反向输入端分别与电阻R17的一端和电阻R18的一端连接，所述电阻R17的另一端连接至零点电压调整电路，所述运算放大器U5A的输出端与电阻R18的另一端连接。

5.一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿方法，其特征在于：所述高精度温度补偿方法需提供如权利要求1所述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿电路，包括如下步骤：

步骤S1、利用正温度系数的PTC热敏电阻和运算放大器组成随温度上升而输出电压也升高的温控恒压源，通过所述温控恒压源产生一个正温度系数的电桥电压来抵消负温度系数的灵敏度温漂，从而实现对压力传感器灵敏度温漂进行补偿；

步骤S2、在压力传感器的电桥上串联一个固定电阻，并在其中一个桥臂上并联另一个固定电阻，使桥臂电阻中两个相对桥臂的电阻其压敏系数的温度系数调整为相同，通过所述零点温漂补偿电路使电桥的零点输出达到某一电压值，该电压值的范围是用户根据实际情况自行设定的；

步骤S3、通过所述增益调节电路对电桥输出的差分信号进行放大，放大倍数根据所需量程调整；

步骤S4、通过所述零点电压调整电路对经过增益调节电路放大后的输出的零点温漂进行补偿，由运算放大器和各电阻组成不随温度变化的零点电压调整电路，通过调节各个电阻阻值对其零点输出的电压值进行调整，使得运算放大器的输出达到所需要的电压值，并根据用户要求提供对应数值的零点输出偏置；

步骤S5、通过所述减法器将由增益调节电路放大后输出的电压减去由零点电压调整电路处理后输出的电压，得到用户设定的压力传感器的输出。

6.根据权利要求5所述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：

采集每个温度点下压力传感器的灵敏度温漂数据，将各温度点下的灵敏度温漂数据做倒数，假设电桥的灵敏度温漂数据的关系式为1-δT，做倒数后为1/(1-δT),其中，δ为灵敏度温度系数，T为实际温度值与基准温度差，因为δ非常小，所以将做倒数后的数据在要求的温度范围内的线性度非常好，将1-δT拟合成为1+βT的直线，其中β为电桥的激励电压U_in的温漂系数；利用PTC热敏电阻RT1、电阻R2及电阻R3构建出1+βT的放大倍数激励电源，假设PTC热敏电阻RT1的温漂系数为α，则运算放大器U4A的放大倍数为：

令

即G＝M(1+βT),选定β值使得(1-δT)*(1+βT)相乘结果接近为1，即实现了灵敏度温漂补偿。

7.根据权利要求5所述的一种硅压阻式压力传感器的高精度温度补偿方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：

通过调整在电桥的电阻R_q2上串联的电阻R_S5和在电阻R_q4上并联的电阻R_P3二者的阻值大小，使得调整后的输出零点为零，即:

R_q1R_q3-(R_q2+R_s5)*R_q4R_p3/(R_q4+R_p3)＝0

通过测量该压力传感器的电桥在-55°、25°和125°下电阻R_q1、电阻R_q2、电阻R_q3和电阻R_q4值，令-55°下的零点输出＝25°下的零点输出＝125°下的零点输出，求解出电阻R_P3和电阻R_S5值，从而使得零点温漂为某一固定范围。