CN113624397A - 一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法 - Google Patents

一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法,以精密电阻作为分压器,替换常规方法中模数转换模块所需的高精度基准电源;本发明不仅省去了模数转换模块所需的高精度电压基准源,而且也免去了对电桥激励电压的测量以及需要对由激励电压变化或者波动所带来误差进行补偿的软件,这样可以明显地降低供电电压或者器件激励电压幅值的波动以及随温度的漂移可能带来的测试误差,从而能够提升测量精度以及稳定度,消除了激励信号对提升整体测量精度的限制作用,同时也降低了成本,简化了电路。

Description

一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域,特指一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法。
背景技术
MEMS传感器凭借其体积小、重量轻、能耗低、可高精度低成本批量生产等优点,在航空航天、汽车电子、工业自动化等领域均有广泛的应用空间。其中硅压阻式压力传感器是应用最普遍的压力传感器,但是以半导体材料为敏感元件制成的压阻式压力传感器具有不稳定的温度特性和组成电路的元器件在工作温度范围内的温度漂移现象,使压阻式压力传感器在高精度、高稳定度、宽工作温度范围方向的发展受到了限制。
目前对硅压阻压力传感器的校准补偿方式有以下几种方法:第一种,采用人工筛选热敏电阻来调整惠斯顿电桥的方式,这种方法工艺落后,生产效率低;第二种,采用软件补偿法(神经网络补偿算法等),实现较为复杂或者补偿精度不够高;第三种,电路补偿法,用图1所示的电路模式,使用一个高精度多通道的ADC来对电桥输出Vouf(AIN1/AIN2)、温度量(AIN3/AIN4)和电桥的激励电压Ve(AIN5/AIN6)进行采集并模数转换,然后在微处理器中进行数字信号的运算,求解实际的压力值,而这就要求ADC要具备很高的转换精度,且ADC的参考电压Vref也要有很高的稳定度和精度。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法,包含压力测量模块、温度测量模块、模数转换模块、参考电压模块和微处理器;
所述压力测量模块在不同压力下输出对应的电压信号给模数转换模块;
所述温度测量模块在不同温度下输出对应的温度信号给模数转换模块;
所述模数转换模块用于采集电压信号和温度信号进行模数转换给微处理器;
所述参考电压模块利用一个精密电阻分压作为模数转换的参考电压;
所述微处理器进行数学运算,结合最小二乘法,可以得到压力量与温度量的二元方程作为校准方程,结合等比例测量法对压阻式压力传感器的激励电压在模数转换前进行补偿,实现了对硅压阻式压力传感器输出的原始电压信号的校准补偿。
优选的,所述压力测量模块利用半导体扩散硅的压阻变化原理,在硅膜片的特定方向上扩散四个等值的半导体电阻,并连成惠斯顿电桥,以作为力-电变换的敏感元件。
优选的,所述温度测量模块包括串联放置的温度电阻和第一分压电阻;所述温度电阻和第一分压电阻的另一端接电源和接地;所述温度电阻的两端还分别与模数转换模块的信号输入端连接。
优选的,所述参考电压模块还包括与精密电阻串联放置的第二分压电阻;所述精密电阻和第二分压电阻的另一端接电源和接地;所述精密电阻的两端还分别接入模数转换模块的电源端。
优选的,所述模数转换模块采用ADS1258模数转换器。
由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明以精密电阻作为分压器,替换常规方法中模数转换模块所需的高精度基准电源,不仅省去了模数转换模块所需的高精度电压基准源,而且也免去了对电桥激励电压的测量以及需要对由激励电压变化或者波动所带来误差进行补偿的软件;延伸地讲,这种等比例采集测量适用于何种比例型传感器,不仅适用于采集硅压阻式压力传感器的电桥信号,也可以采集温度传感器(例如扩散硅温度传感器或Pt1000等),省去温度量采集时所需要的电压基准,这样可以明显地降低供电电压或者器件激励电压幅值的波动以及随温度的漂移可能带来的测试误差,从而能够提升测量精度以及稳定度,消除了激励信号对提升整体测量精度的限制作用,同时也降低了成本,简化了电路。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
附图1为现有硅压阻式压力传感器校准补偿方法的电路图;
附图2为本发明所述的硅压阻式压力传感器校准补偿方法的电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图2为本发明所述的硅压阻式压力传感器校准补偿方法,包含压力测量模块、温度测量模块、模数转换模块、参考电压模块和微处理器;
所述压力测量模块在不同压力下输出对应的电压信号给模数转换模块;所述压力测量模块利用半导体扩散硅的压阻变化原理,在硅膜片的特定方向上扩散四个等值的半导体电阻,并连成惠斯顿电桥,以作为力-电变换的敏感元件;
所述温度测量模块在不同温度下输出对应的温度信号给模数转换模块;所述温度测量模块包括串联放置的温度电阻和第一分压电阻R1;所述温度电阻和第一分压电阻R1的另一端接电源和接地;所述温度电阻的两端还分别与模数转换模块的信号输入端连接;
所述模数转换模块用于采集电压信号和温度信号进行模数转换给微处理器;所述模数转换模块采用ADS1258模数转换器;
所述参考电压模块利用一个精密电阻Rx分压作为模数转换的参考电压;所述参考电压模块还包括与精密电阻Rx串联放置的第二分压电阻R2;所述精密电阻Rx和第二分压电阻R2的另一端接电源和接地;所述精密电阻Rx的两端还分别接入模数转换模块的电源端;
所述微处理器进行数学运算,结合最小二乘法,可以得到压力量与温度量的二元方程作为校准方程,结合等比例测量法对压阻式压力传感器的激励电压在模数转换前进行补偿,实现了对硅压阻式压力传感器输出的原始电压信号的校准补偿。
工作原理:
硅压阻式压力传感器内部是惠斯顿电桥结构,因为惠斯顿电桥输出信号的大小与电桥的激励电压相关,且通常是线性关系,即在确定的温度环境和压力下,电桥输出信号的大小与电桥的激励电压同比例变化,如式1所示:
式1:Vout=KVin
基于硅压阻传感器的比例输出特性,ADC也具有类似的比例特性,ADC的输出值与输入电压和参考电压的比值成直接的比例关系,如式2所示,ADC的数据读取值(S)与输入信号(Vin)、参考电压(Vref)
式2:S=(Vin/Vref)FSK
AD的输出信号Vin可以用电桥的输出信号Vouf替换,因此式2就转换为式3所示:
式3:S=Vout/Vref
由式3可以看出ADC对于压阻式压力传感器性能的影响。
因此可以将目前常用的采集模式简化,将ADC的电压基准源省去,而以一个简单的电阻来分压作为ADC的参考电压,只需要将
Figure BDA0003212315570000062
的比值保持恒定即可,并省去对电桥激励电压Ve的测量。
工作时:
以精密电阻Rx作为分压器,替换常规方法中ADC所需的高精度基准电源;
省去对压阻式压力传感器的激励电压Ve的测量;
保持恒定的
Figure BDA0003212315570000061
的比值;
压阻式压力传感器在不同压力下输出对应的电压信号,通过通道AIN1,经过放大、滤波等被ADC采集并进行模数转换;
温度量经过通道AIN2也可以采用压阻式压力传感器输出信号类似的采集方式即等比列测量法;
一路压阻式压力传感器电压输出信号、一路温度传感器的温度信息量经过放大、滤波等;经ADC的模数转换进入微处理器MCU中进行数学运算,结合最小二乘法,可以得到压力量与温度量的二元方程作为校准方程,结合等比例测量法对压阻式压力传感器的激励电压在模数转换前进行补偿。
由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
1、采用这种采集测量方法,ADC只需采集两路差分信号,一路AIN1采集压阻式压力传感器的电桥输出信号,一路AIN2采集温度电阻Rt的温度信息量,同时利用一个精密电阻Rx分压作为ADC的参考电压Vref,这样与常规的图1相比较省去了对压阻式压力传感器激励电压Ve的测量,也省去了ADC所需要的高精度电压基准源;
2、压阻式压力传感器在不同压力下输出对应的电压信号,通过通道AIN1,经过放大、滤波等被ADC采集并进行模数转换;温度传感器(扩散硅温度传感器)地使用必要性在于,由于硅工艺制程器件的温度相关性,在高精度压力传感器的应用中需要结合温度信息量对压力传感器的压力输出信号进行温度补偿,这一路温度量经过通道AIN2也可以采用与压阻式压力传感器输出信号类似的采集方式即等比例测量法;利用一个精密电阻Rx作为分压器将压阻式压力传感器的激励电压Ve分压作为ADC的基准参考电压Vref,将压阻式压力传感器的输出信号模拟电压量Vout替换作为ADC的输入信号Vin
3、一路压阻式压力传感器电压输出信号、一路温度传感器的温度信息量经过放大、滤波等,经ADC的模数转换进入微处理器MCU中进行数学运算,结合最小二乘法,可以得到压力量与温度量的二元方程作为校准方程,又因为采用了等比例测量法,因此可以对压阻式压力传感器的激励电压在模数转换前进行补偿,结合校准方程,便实现了对硅压阻式压力传感器输出的原始电压信号的校准补偿,有利于整理精度提高的目的。
以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种硅压阻式压力传感器校准补偿方法,其特征在于:包含压力测量模块、温度测量模块、模数转换模块、参考电压模块和微处理器;
所述压力测量模块在不同压力下输出对应的电压信号给模数转换模块;
所述温度测量模块在不同温度下输出对应的温度信号给模数转换模块;
所述模数转换模块用于采集电压信号和温度信号进行模数转换给微处理器;
所述参考电压模块利用一个精密电阻分压作为模数转换的参考电压;
所述微处理器进行数学运算,结合最小二乘法,可以得到压力量与温度量的二元方程作为校准方程,结合等比例测量法对压阻式压力传感器的激励电压在模数转换前进行补偿,实现了对硅压阻式压力传感器输出的原始电压信号的校准补偿。
2.根据权利要求1所述的硅压阻式压力传感器校准补偿方法,其特征在于:所述压力测量模块利用半导体扩散硅的压阻变化原理,在硅膜片的特定方向上扩散四个等值的半导体电阻,并连成惠斯顿电桥,以作为力-电变换的敏感元件。
3.根据权利要求2所述的硅压阻式压力传感器校准补偿方法,其特征在于:所述温度测量模块包括串联放置的温度电阻和第一分压电阻;所述温度电阻和第一分压电阻的另一端接电源和接地;所述温度电阻的两端还分别与模数转换模块的信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述的硅压阻式压力传感器校准补偿方法,其特征在于:所述参考电压模块还包括与精密电阻串联放置的第二分压电阻;所述精密电阻和第二分压电阻的另一端接电源和接地;所述精密电阻的两端还分别接入模数转换模块的电源端。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的硅压阻式压力传感器校准补偿方法,其特征在于:所述模数转换模块采用ADS 1258模数转换器。
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