CN114509190A - 一种硅压力传感器的温度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，且公开了一种硅压力传感器的温度补偿方法，包括步骤，首先定义一组参数，采集数据，在不同的温度点和不同压力点下，对压力传感器的输出和桥路电压值进行采集，观察传感器的输出数据与桥路电压数据随基准压力值是单调增加，还是单调减少，该硅压力传感器的温度补偿方法，通过使传感器的输出与桥路电压进行数学运算的结果用作温度信息对传感器进行温度补偿，使得压力传感器的温度信息对压力信息不敏感，从而提高了压力传感器的温度补偿精度。对比用外置温度传感器进行测温补偿的方法，本发明所用的硬件开销较少，并且克服了外置温度传感器与压力传感器的温度梯度问题，用该方法可提高传感器在快速温变环境中的精度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体为一种硅压力传感器的温度补偿方法。
背景技术
硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的。在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，作为力——电变换器的敏感元件。当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥加激励电源(恒流和恒压)，便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的。
硅压阻压力传感器的输出随外界环境温度的变化而变化，绝大多数的硅压阻压力传感器在实际使用时，为了提高精度，需要进行温度补偿，用单片机对硅压阻压力传感器的输出进行采集、处理、温度补偿是常用的方法，但硅压阻压力传感器在实际生产制造过程中，由于加工误差和工艺一致性的问题，不能够做到完全的对称，因此桥路电阻值不但与温度相关，还会与压力有一定的相关性，由于加工误差的原因，用桥路电阻作为温度参数进行温度补偿，桥路电阻对温度敏感的同时，对压力也敏感，影响补偿精度，用外置温度传感器进行温度补偿的方法，可提高温度补偿的精度，但会增加硬件开销，并且当传感器在快速温变环境下工作时，由于压力芯片和温度传感器存在温度梯度，会对精度造成影响。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种硅压力传感器的温度补偿方法，具备将测试得到的桥路电阻和压力传感器输出电压，利用其随压力变化的单调特性，进行数学运算，得到一组与温度相关与压力不相关的数据，将这些数据用作温度补偿的优点，解决了现有硅压阻压力传感器的输出随外界环境温度的变化而变化，绝大多数的硅压阻压力传感器在实际使用时，为了提高精度，需要进行温度补尝，但是由于加工误差和工艺一致性的问题，不能够做到完全的对称影响最终得到的数据的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种硅压力传感器的温度补偿方法；包括步骤；
S1：首先定义一组参数，采集数据；
S2：在不同的温度点和不同压力点下，对压力传感器的输出和桥路电压值进行采集；
S3：观察传感器的输出数据与桥路电压数据随基准压力值是单调增加，还是单调减少，并取得中间数组M；
S4：定义每个温度的系数进行计算得到均值Havg；
S5：计算中间数组M*Havg+P，得到数组Temp，并取得均值；
S6；用数据进行算法的温度补偿，用数据进行推演。
优选的，所述定义的参数为A1，A2，AN表示N个温度值，该温度值的取得可由温度设备，例如高低温箱，在保温足够时间后达到；
B1，B2，AN表示N个基准压力值，该基准压力值的取得可由高精度压力控制器给出，例如PACE5000系列，在保压一定时间后达到。
优选的，对压力传感器的输出和桥路电压值进行采集，由于电流源供电时桥路电压值可以反应桥路电阻的大小，因此RAB可用桥路电压表示，若为电压源供电，则测量与惠斯通电桥串联的采样电阻电压，可以推算出桥路电阻的大小。
优选的，定义每个温度下的系数H1，H2，HN，其计算公式为：HN＝(MAX(PN1，PN2，PNM)-MIN(PN1，PN2，PNM))/(MAX(TN1，TN2，TNM)-MIN(TN1，TN2，TNM))，取所有系数H1，H2，HN的均值Havg。
优选的，所述取每个温度AN下的Temp中的对应元素，并取均值，即可表征该温度下的温度值，利用数据使用线性插值、三次样条插值或是多项式拟合算法得出温度补偿。
优选的，传感器的测量压力范围为70kPa～1080kPa，温度范围为-55℃～85℃。
优选的，观察传感器的输出数据与桥路电压数据随基准压力值变大是单调增加，还是单调减少，若传感器输出与桥路电压的单调性相同，则用比所有桥路电压采集数据大一位的，能够被10整除的正整数减去每一个桥路电压采集数据，得到中间数组M；若传感器输出与桥路电压的单调性不同，将桥路电压采集数据直接视作中间数组M。
优选的，传感器的输出采集数据及桥路电压采集数据均有单片机完成，为无量钢数。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种硅压力传感器的温度补偿方法，具备以下有益效果：
该硅压力传感器的温度补偿方法，通过使传感器的输出与桥路电压进行数学运算的结果用作温度信息对传感器进行温度补偿，使得压力传感器的温度信息对压力信息不敏感，从而提高了压力传感器的温度补偿精度。对比用外置温度传感器进行测温补偿的方法，本发明所用的硬件开销较少，并且克服了外置温度传感器与压力传感器的温度梯度问题，用该方法可提高传感器在快速温变环境中的精度，该温度补偿方法可推广至其他基于压阻效应、应变效应的传感器。
附图说明
图1为本发明中惠斯通电桥的结构示意图；
图2为本发明中桥路电压采集数据图；
图3为本发明中处理后温度数据图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种硅压力传感器的温度补偿方法；包括步骤；
S1：首先定义一组参数，采集数据；
S2：在不同的温度点和不同压力点下，对压力传感器的输出和桥路电压值进行采集；
S3：观察传感器的输出数据与桥路电压数据随基准压力值是单调增加，还是单调减少，并取得中间数组M；
S4：定义每个温度的系数进行计算得到均值Havg；
S5：计算中间数组M*Havg+P，得到数组Temp，并取得均值；
S6；用数据进行算法的温度补偿，用数据进行推演；
所述S1定义的参数为A1，A2，AN表示N个温度值，该温度值的取得可由温度设备；
B1，B2，AN表示N个基准压力值，该基准压力值的取得可由高精度压力控制器给出，例如PACE5000系列，在保压一定时间后达到，所述S1中还包括所述S11,所述S11对压力传感器的输出和桥路电压值进行采集，由于电流源供电时桥路电压值可以反应桥路电阻的大小，因此RAB可用桥路电压表示，若为电压源供电，则测量与惠斯通电桥串联的采样电阻电压，可以推算出桥路电阻的大小，所述S2中还包括S21，所述S21定义每个温度下的系数H1，H2，HN，其计算公式为：HN＝(MAX(PN1，PN2，PNM)-MIN(PN1，PN2，PNM))/(MAX(TN1，TN2，TNM)-MIN(TN1，TN2，TNM))，取所有系数H1，H2，HN的均值Havg，所述S4和所述S5中还包括S41,所述S41取每个温度AN下的Temp中的对应元素，并取均值，即可表征该温度下的温度值，利用数据使用线性插值、三次样条插值或是多项式拟合算法得出温度补偿，所述S6中还包括S61，所述S61传感器的测量压力范围为70kPa～1080kPa，温度范围为-55℃～85℃，所述S3中还包括S31，所述S31观察传感器的输出数据与桥路电压数据随基准压力值变大是单调增加，还是单调减少，若传感器输出与桥路电压的单调性相同，则用比所有桥路电压采集数据大一位的，能够被10整除的正整数减去每一个桥路电压采集数据，得到中间数组M；若传感器输出与桥路电压的单调性不同，将桥路电压采集数据直接视作中间数组M；若传感器输出与桥路电压的单调性不同，将桥路电压采集数据直接视作中间数组M，传感器的输出采集数据及桥路电压采集数据均有单片机完成，为无量钢数。
参阅图1-3，P11，P12，P1M与T11，T12，T1M，分别表示在温度A1时，不同的基准压力值下的传感器输出采集数据与桥路电压采集数据；
P21，P22，P2M与T21，T22，T2M，分别表示在温度A2时，不同的基准压力值下的传感器输出采集数据与桥路电压采集数据；
P11，P12，PNM与T11，T12，TNM，分别表示在温度AN时，不同的基准压力值下的传感器输出采集数据与桥路电压采集数据；
所有传感器输出采集数据，按照从前到后的顺序，可简写为数组P，所有桥路电压采集数据，按照从前到后的顺序，可简写为T，采取的传感器的数据；
传感器采集数据；
线性插值、三次样条插值或是多项式拟合算法，均可以在查表过程中计算表格中没有的数值，可以提高数据的准确性。
传感器实际测量结果；
该传感器的输出与桥路电压的单调性相同，而所有桥路电压采集数据的最大值为1635662，其能够被10整除，且大一位的数据为10000000，因此用10000000减去每一个桥路电压，可以得到数组M，该传感器的H1，H2，H3，H4，H5分别为145.198，147.885，142.448，114.430，157.124，因此Havg＝141.417，可以计算出中间数组：M*Havg+P，得出数据处理结果表格；
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能，所以能很好的记录传感器的数据以及桥路电压数据，从图2和图3可以明显看出，在同一个温度下，当压力变化时，其桥路电压输出有一定斜率，若用这些数据进行温度补偿，则会造成误差。图2是用本发明的算法处理后的数据，可以看出，在同一个温度下，当压力变化时，其数据对压力变化不敏感，证明了本算法的有效性，传感器的输出与桥路电压进行数学运算的结果用作温度信息对传感器进行温度补偿，使得压力传感器的温度信息对压力信息不敏感，从而提高了压力传感器的温度补偿精度。对比用外置温度传感器进行测温补偿的方法，本发明所用的硬件开销较少，并且克服了外置温度传感器与压力传感器的温度梯度问题，用该方法可提高传感器在快速温变环境中的精度，该温度补偿方法可推广至其他基于压阻效应、应变效应的传感器。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：包括步骤；
S1：首先定义一组参数，采集数据；
S2：在不同的温度点和不同压力点下，对压力传感器的输出和桥路电压值进行采集；
S3：观察传感器的输出数据与桥路电压数据随基准压力值是单调增加，还是单调减少，并取得中间数组M；
S4：定义每个温度的系数进行计算得到均值Havg；
S5：计算中间数组M*Havg+P，得到数组Temp，并取得均值；
S6；用数据进行算法的温度补偿，用数据进行推演。
2.根据权利要求1所述的一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述S1定义的参数为A1，A2，AN表示N个温度值，该温度值的取得可由温度设备；
B1，B2，AN表示N个基准压力值，该基准压力值的取得可由高精度压力控制器给出，例如PACE5000系列，在保压一定时间后达到。
3.根据权利要求1所述的一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述S1中还包括所述S11,所述S11对压力传感器的输出和桥路电压值进行采集，由于电流源供电时桥路电压值可以反应桥路电阻的大小，因此RAB可用桥路电压表示，若为电压源供电，则测量与惠斯通电桥串联的采样电阻电压，可以推算出桥路电阻的大小。
4.根据权利要求1所述的一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述S2中还包括S21，所述S21定义每个温度下的系数H1，H2，HN，其计算公式为：HN＝(MAX(PN1，PN2，PNM)-MIN(PN1，PN2，PNM))/(MAX(TN1，TN2，TNM)-MIN(TN1，TN2，TNM))，取所有系数H1，H2，HN的均值Havg。
5.根据权利要求1所述的一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述S4和所述S5中还包括S41,所述S41取每个温度AN下的Temp中的对应元素，并取均值，即可表征该温度下的温度值，利用数据使用线性插值、三次样条插值或是多项式拟合算法得出温度补偿。
6.根据权利要求1所述的一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述S6中还包括S61，所述S61传感器的测量压力范围为70kPa～1080kPa，温度范围为-55℃～85℃。
7.根据权利要求1所述的一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述S3中还包括S31，所述S31观察传感器的输出数据与桥路电压数据随基准压力值变大是单调增加，还是单调减少，若传感器输出与桥路电压的单调性相同，则用比所有桥路电压采集数据大一位的，能够被10整除的正整数减去每一个桥路电压采集数据，得到中间数组M；若传感器输出与桥路电压的单调性不同，将桥路电压采集数据直接视作中间数组M。
8.根据权利要求1所述的一种硅压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：传感器的输出采集数据及桥路电压采集数据均有单片机完成，为无量钢数。
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