CN115452211A - 一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路和方法，所述压力传感器包括压力敏感芯体，且灵敏度随温度变化呈折线变化，使温度曲线具有一个拐点，所述温度补偿电路包括NTC电阻和PTC电阻，所述NTC电阻和所述PTC电阻并接形成NTC/PTC电阻网络，并且串接在电源输入与压力敏感芯体的惠斯通电桥的输入端之间。本发明主要用于补偿压力芯体的灵敏度随温度变化呈先增大后显小趋势的压力传感器温漂，使之满足技术指标要求。

Description

一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路和方法
【技术领域】
本发明涉及一种压力传感器温度补偿领域，特别是一种灵敏度随温度呈折线变化的压力传感器的温度补偿电路和方法。
【背景技术】
目前，市面上现有的压力传感器温度补偿方法主要分为模拟补偿和数字补偿两种。数字补偿通过信号调理芯片进行校准，输出电压通常为伏级(V)；模拟补偿主要通过压力芯体外部的电阻网络或放大电路实现压力传感器的温度补偿，其输出电压通常为伏级(V)或毫伏级(mV)。
绝大多数压力传感器中的压力芯体灵敏度变化与温度变化呈负相关趋势，通常采用在外部串联NTC电阻网络的方式进行温度补偿。但对于一些灵敏度变化与温度变化非负相关趋势的压力芯体，其补偿方法无法完全适用。例如：压力传感器中的压力芯体灵敏度通常随温度升高单调递减，通过在传感器外部串联NTC电阻网络的方式即可补偿温漂。
由本领域的技术人员可知，压力传感器采用压力芯体作为感压原件，其核心部件称为压力敏感芯片。压力敏感芯片是以半导体的压阻效应为理论根据进行设计的。半导体的压阻效应是指对半导体施加外力时，导致了材料的电阻率(或电导率)发生了变化。供电电压恒定时，压力芯体的惠斯通电桥的输出电压主要取决于4个桥臂电阻的阻值，随桥臂电阻的改变而改变。依电桥这种特性，只要通过外接电路改变桥臂电阻的阻值，可使输出电压能满足性能指标要求，即完成对压力传感器的补偿。4个桥臂电阻为半导体材质，其随温度变化的趋势相同，但是变化大小不一致，即温漂系数不相同，从而导致零点输出在不同温度下都不同，零点输出会出现温度漂移。要使电桥在全温度下零点输出均为0mV，现有技术中通常采用在电桥桥臂上串/并联高精度低温漂的定值电阻的方式来补偿零点输出电压。压力芯体的满量程输出电压的温漂特性曲线是满量程输出电压Vout随温度升高而减小,因此可以通过构造一个随温度升高而增大的Uin来抵消满量程输出电压Vout的变化，使得Vout在全温度下输出恒定。目前业内主要是通过构造NTC热敏电阻网络和二极管网络的补偿电路，即在外部串联NTC电阻网络作为分压电阻网络R，然后通过补偿参数的计算方法即可算出各个温度下所需的分压电阻网络R的值，得到R的温度曲线，根据R曲线特性，选择具有负温度系数的热敏电阻来进行拟合R的温度曲线。使全温度零点与满量程输出均符合输出电压性能指标要求。
但是对于一些由硅应变计制成的压力芯体，如图1所示，其自身的灵敏度并非随温度升高单调递减，而是随温度升高呈先递增后递减的趋势，现有的补偿方法均无法完全适用。
【发明内容】
鉴于此，本发明要解决的技术问题，在于提供一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路和补偿方法，主要用于补偿压力芯体的灵敏度随温度变化呈先增大后显小趋势的压力传感器温漂，使之满足技术指标要求。
为达到前述本发明的第一目的，本发明实施例采取的技术方案是：一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路，所述压力传感器包括压力敏感芯体，且灵敏度随温度变化呈折线变化，使温度曲线具有一个拐点，所述温度补偿电路包括NTC电阻和PTC电阻，所述NTC电阻和所述PTC电阻并接形成NTC/PTC电阻网络，并且串接在电源输入与压力敏感芯体的惠斯通电桥的输入端之间；
当压力传感器的温度低于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于PTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递增；
当压力传感器的温度高于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于NTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势。
进一步的，所述NTC/PTC电阻网络还包括并联定值电阻，所述并联定值电阻与NTC电阻、PTC电阻并接。
为达到前述本发明的第二目的，本发明实施例采取的技术方案是：一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：用于实现上述第一目的温度补偿电路；并包括如下步骤：
S1、采集待补偿压力传感器的惠斯通电桥各个桥臂在不同温度下的电阻值；
S2、根据步骤S1中采集所得的不同温度下的所述电阻值计算得到补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线；
S3、根据所述电阻曲线的特性选取阻值合适的NTC电阻和PTC电阻来拟合所需的电阻曲线，将NTC电阻与PTC电阻并联构成NTC/PTC电阻网络，再配合并联定值电阻，使所述NTC/PTC电阻网络随温度的变化趋势为折线型；
S4、温度补偿过程中，进行如下控制：
当压力传感器的温度低于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于PTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递增；
当压力传感器的温度高于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于NTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势。
进一步的，所述步骤S2具体是：
S21、根据步骤S1中采集所得的不同温度下的惠斯通电桥各个桥臂电阻值反计算出压力传感器在不同温度下的输出电压；
S22、假设利用一分压电阻网络串联于电源输入和惠斯通电桥桥臂之间，对惠斯通电桥供电电压进行分压，则分压电阻网络的阻值即为补偿所需的电阻值，用公式1计算满量程输出电压为Vout时对应的惠斯通电桥供电电压Uin：
Figure BDA0003830119860000031
公式1中：
V—电源供电电压，为已知值；
Vout—满量程输出电压，为目标值；
VFS—压力敏感芯体各温度满量程输出电压，通过电阻计算得出；
Uin—满量程输出电压为Vout时对应的惠斯通电桥供电电压，为公式1所求值；
当将各温度下的所述输出电压VFS分别代入公式1计算各个Uin，得到Uin随温度变化曲线；
S23、构造一个Uin实现对满量程输出电压的补偿，求得分压电阻网络的分压电压U，则有：
U＝Vcc-Uin 公式2；
公式2中：
Vcc—产品供电电压；
Uin—满量程输出电压为VFS时对应的电桥供电电压，通过公式1求得；
S24、分压电阻网络与惠斯通电桥桥臂为串联关系，电流I相同，则电压比等于电阻之比，则：
Figure BDA0003830119860000041
公式3中：
U—分压电阻网络的分压电压；
Uin—满量程输出电压为VFS时对应的惠斯通电桥供电电压，
RB—惠斯通电桥桥臂等效后电阻，通过电阻数据计算得到；
R—分压电阻网络的阻值，为公式3所求值；
通过求出各个温度下所需的分压电阻网络R的值，得到R的温度曲线，该R的温度曲线即为补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线。
本发明的优点在于：将NTC电阻和PTC电阻并接组成NTC/PTC电阻网络，并串接在电源输入与压力敏感芯体的惠斯通电桥的输入端之间，当压力传感器的温度为低温时，通过PTC电阻使NTC/PTC电阻网络的阻值随温度递增；当压力传感器的温度为高温时，通过NTC电阻使NTC/PTC电阻网络的阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势，从而能准确地拟合压力芯体所需的温度特性曲线，补偿压力芯体的灵敏度随温度变化呈先增大后显小趋势的压力传感器温漂，使之满足技术指标要求。
【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是于由硅应变计制成的压力芯体满量程输出随温度变化曲线示意图；
图2压力传感器的芯片等效电路惠斯通电桥的结构示意图；
图3是本发明计算所得的补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线；
图4是本发明PTC电阻随温度变化趋势曲线；
图5是本发明NTC电阻随温度变化趋势曲线；
图6是本发明NTC/PTC电阻网络随温度变化趋势曲线；
图7是本发明温度补偿电路的原理结构框图；
图8是本发明温度补偿电路的电路原理图；
图9是本发明温度补偿方法的流程图；
图10是本发明一实施例的温度补偿拟合曲线示意图；
图11是本发明一实施例的温度补偿电路的电路结构示意图；
图12是本发明一实施例的拟合的电阻网络曲线与所需的分压电阻网络曲线的示意图。
【具体实施方式】
本发明实施例通过提供一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路和补偿方法，主要用于补偿压力芯体的灵敏度随温度变化呈先增大后显小趋势的压力传感器温漂，使之满足技术指标要求。
发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：将NTC电阻和PTC电阻并接组成NTC/PTC电阻网络，并且串接在电源输入与压力敏感芯体的惠斯通电桥的输入端之间，当压力传感器的温度为低温时，通过PTC电阻使NTC/PTC电阻网络的阻值随温度递增；当压力传感器的温度为高温时，通过NTC电阻使NTC/PTC电阻网络的阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势，从而能准确地拟合压力芯体所需的温度特性曲线。
为了更好地理解上述技术方案，下面说明一下本发明的补偿原理：
1、首先需了解一下惠斯通电桥输出电压的特性
压力传感器的芯片表面有4个半导体硅应变计，用于将芯片感受到的压力变化转变为电信号输出。如图2所示，其等效于4个随着压力变化的电阻以电桥形式连接，即惠斯特电桥，惠斯通电桥电路输出方式为差分输出，其中输出电压可表示为：
Figure BDA0003830119860000061
Figure BDA0003830119860000062
Figure BDA0003830119860000063
式中：
Uin为惠斯通电桥的供电电压；
R1、R2、R3和R4为电桥的4个硅应变计阻值，以下简称桥臂电阻；
Vout+为桥臂R2和R3之间的电压；
Vout-为桥臂R1和R4之间的电压；
Vout为电桥的差分输出电压；
R1和R3分别位于电桥的对角位置，随着压力增大阻值也增大，R2和R4也位于对角位置，随压力增大而减小。Uin恒定，当压力增大时，R3增大，R2减小，Vout+增大；R1增大，R4减小，Vout-减小，输出电压Vout增大。反这，压力减小时，Vout减小。因此供电电压Uin恒定时，惠斯通电桥的输出电压主要取决于4个桥臂电阻的阻值，随桥臂电阻的改变而改变。依电桥这种特性，只要通过外接电路改变桥臂电阻的阻值，可使输出电压能满足性能指标要求，即完成对压力传感器的补偿。
2、零点输出电压及温漂补偿
压力敏感芯片上的4个桥臂电阻为半导体材质，其随温度变化的趋势相同，但是变化大小不一致，即温漂系数不相同，从而导致零点输出在不同温度下都不同，零点输出会出现温度漂移。当如下关系式(4)成立时，零点温漂为0。
α1+α2＝α3+α4 (4)
关系式(4)中，α1至α4分别为惠斯通电桥4个桥臂电阻的温漂系数，当4个桥臂的温漂系数一致时，电桥输出在各个温度下都相等，为某一个特定值。同时，4个桥臂的电阻阻值也不可能完全一致，根据关系式(3)可知输出电压Vout不为0，当如下关系式(5)成立时，零点输出电压Vout为0mV。
R1+R2＝R3+R4 (5)
当关系式(4)和(5)同时成立时，惠斯通电桥在全温度下零点输出均为0mV。即可采用在电桥桥臂上串/并联高精度低温漂的定值电阻的方式来补偿零点输出电压，而本发明就是通过在电路中串联NTC/PTC电阻网络分压来实现的。通过求出各个温度下所需的分压电阻网络R的值，得到R的温度曲线，根据所述电阻曲线的特性选取阻值合适的NTC电阻和PTC电阻来拟合所需的电阻曲线，即补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线，如图3所示。
3、NTC电阻和PTC电阻各自的曲线及NTC与PTC组合后随温度变化趋势，PTC随温度变化趋势如图4所示；其中NTC随温度变化趋势如图5所示；NTC与PTC组合后随温度变化趋势如图6所示。
实施例一
请参阅图7和图8所示，本实施例提供一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路，所述压力传感器包括压力敏感芯体，且灵敏度随温度变化呈折线变化，使温度曲线具有一个拐点，温度补偿电路包括NTC电阻和PTC电阻，所述NTC电阻和所述PTC电阻并接在电源输入与压力敏感芯体的惠斯通电桥的输入端之间，形成NTC/PTC电阻网络；
当压力传感器的温度低于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于PTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递增；
当压力传感器的温度高于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于NTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势。
进一步的，所述NTC/PTC电阻网络还包括外围电组，所述外围电组与NTC电阻、PTC电阻并接。
实施例二
请参阅图9所示，本实施例提供一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿方法，用以实现上述第一目的温度补偿电路；并包括如下步骤：
S1、采集待补偿压力传感器的惠斯通电桥各个桥臂在不同温度下的电阻值；
S2、如图3所示，根据步骤S1中采集所得的不同温度下的所述电阻值计算得到补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线；补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线为分压电阻曲线；
S3、根据所述电阻曲线的特性选取阻值合适的NTC电阻和PTC电阻来拟合所需的电阻曲线，将NTC电阻与PTC电阻并联构成NTC/PTC电阻网络，通过并联定值电阻进一步调整NTC/PTC电阻网络的曲线斜率，将曲线斜率调整至与压力敏感芯体所需的电阻温度曲线尽可能重合。并联定值电阻的阻值由所需的电阻曲线决定，使所述NTC/PTC电阻网络随温度的变化趋势为补偿所需的折线型；
如图10所示，为温度补偿拟合曲线，实线为需要拟合的电阻温度曲线，虚线为本发明方案拟合的电阻温度曲线。
S4、温度补偿过程中，进行如下控制：
如图8所示，当压力传感器的温度低于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于PTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递增；
如图9所示，当压力传感器的温度高于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于NTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递减，
最终如图10所示，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势。
其中，所述步骤S2具体是：
S21、根据步骤S1中采集所得的不同温度下的惠斯通电桥各个桥臂电阻值反计算出压力传感器在不同温度下的输出电压；
S22、假设利用一分压电阻网络串联于电源输入和惠斯通电桥桥臂之间，对惠斯通电桥供电电压进行分压，则分压电阻网络的阻值即为补偿所需的电阻值，用公式1计算满量程输出电压为Vout时对应的惠斯通电桥供电电压Uin：
Figure BDA0003830119860000091
公式1中：
V—电源供电电压，为已知值；
Vout—满量程输出电压，为目标值，通常由技术协议或研制任务书指定；
VFS—压力敏感芯体各温度满量程输出电压，通过电阻计算得出；
Uin—满量程输出电压为Vout时对应的惠斯通电桥供电电压，为公式1所求值；
当将各温度下的所述输出电压VFS分别代入公式1计算各个Uin，得到Uin随温度变化曲线；
S23、构造Uin实现对满量程输出电压的补偿，求得分压电阻网络的分压电压U，则有：
U＝Vcc-Uin 公式2；
公式2中：
Vcc—产品供电电压；
Uin—满量程输出电压为VFS时对应的电桥供电电压，通过公式1求得；
S24、分压电阻网络与惠斯通电桥桥臂为串联关系，电流I相同，则电压比等于电阻之比，则：
Figure BDA0003830119860000092
公式3中：
U—分压电阻网络的分压电压；
Uin—满量程输出电压为VFS时对应的惠斯通电桥供电电压，
RB—惠斯通电桥桥臂等效后电阻，通过电阻数据计算得到；
R—分压电阻网络的阻值，为公式3所求值；
通过求出各个温度下所需的分压电阻网络R的值，得到R的温度曲线，该R的温度曲线即为补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线。
补偿案例：以申请人的CYYZ351V-200压力传感器补偿数据进行说明：
如图11所示，R1～R4为压力芯体等效电路惠斯通电桥的桥臂电阻。NTC/PTC电阻网络中，包括电阻RN、RP、R5，其中，RN为NTC热敏电阻、RP为PTC热敏电阻，R5为并联定值电阻，与RN和RP并联；经计算(以我司CYYZ351V-200压力传感器补偿数据进行说明)，各部分取值如表1所示。拟合的电阻网络曲线与所需的分压电阻网络曲线如图12所示，其中，实线为需要拟合的电阻温度曲线，虚线为本发明方案可拟合的电阻温度曲线。
表1各部分电阻取值
位号 RN RP R1 R2 R3 R4 R5
阻值(KΩ) 1 15 2.41 2.394 2.540 2.561 100
补偿前后数据分别如表2表3所示。
表2压力传感器补偿前测试数据(5VDC测试)
温度 0kPa 280kPa 560kPa 840kPa 1120kPa 1400kPa 灵敏度
-55 -2.4 22.88 48.16 73.44 98.72 124 126.4
25 2 31.2 60.4 89.6 118.8 148 146
125 9.3 27.38 45.46 63.54 81.62 99.7 90.4
表3压力传感器补偿后测试数据(10VDC测试，要求输出为0～100mV，灵敏度为100±1mV)
Figure BDA0003830119860000101
Figure BDA0003830119860000111
从上述补偿案例的压力传感器补偿前后的测试数据可以看出：补偿前压力传感器的灵敏度随温度升高呈先增大后减小的趋势，且灵敏度也不满足100±1mV的要求。通过本发明的NTC/PTC电阻网络可准确地拟合这种压力传感器补偿所需的电阻温度特性曲线，将压力传感器的灵敏度补偿至指标要求的范围内。
本发明的优点在于：将NTC电阻和PTC电阻并接组成NTC/PTC电阻网络，并且串接在电源输入与压力敏感芯体的惠斯通电桥的输入端之间，当压力传感器的温度为低温时，通过PTC电阻使NTC/PTC电阻网络的阻值随温度递增；当压力传感器的温度为高温时，通过NTC电阻使NTC/PTC电阻网络的阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势，从而能准确地拟合压力芯体所需的温度特性曲线，补偿压力芯体的灵敏度随温度变化呈先增大后显小趋势的压力传感器温漂，使之满足技术指标要求。
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 (4)

1.一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路，所述压力传感器包括压力敏感芯体，且灵敏度随温度变化呈折线变化，使温度曲线具有一个拐点，其特征在于：所述温度补偿电路包括NTC电阻和PTC电阻，所述NTC电阻和所述PTC电阻并接形成NTC/PTC电阻网络，并且串接在电源输入与压力敏感芯体的惠斯通电桥的输入端之间；
当压力传感器的温度低于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于PTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递增；
当压力传感器的温度高于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于NTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势。
2.如权利要求1所述的一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿电路，其特征在于：所述NTC/PTC电阻网络还包括并联定值电阻，所述并联定值电阻与NTC电阻、PTC电阻并接。
3.一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：用于实现如权利要求1或2的温度补偿电路；并包括如下步骤：
S1、采集待补偿压力传感器的惠斯通电桥各个桥臂在不同温度下的电阻值；
S2、根据步骤S1中采集所得的不同温度下的所述电阻值计算得到补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线；
S3、根据所述电阻曲线的特性选取阻值合适的NTC电阻和PTC电阻来拟合所需的电阻曲线，将NTC电阻与PTC电阻并联构成NTC/PTC电阻网络，再配合并联定值电阻，使所述NTC/PTC电阻网络随温度的变化趋势为折线型；
S4、温度补偿过程中，进行如下控制：
当压力传感器的温度低于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于PTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递增；
当压力传感器的温度高于所述NTC/PTC电阻网络的温度曲线的拐点温度时，电阻网络变化趋势主要取决于NTC电阻，此时电阻网络阻值随温度递减，以此实现电阻网络呈折线变化的趋势。
4.如权利要求3所述的一种温度曲线为折线的压力传感器的温度补偿方法，其特征在于：所述步骤S2具体是：
S21、根据步骤S1中采集所得的不同温度下的惠斯通电桥各个桥臂电阻值反计算出压力传感器在不同温度下的输出电压；
S22、假设利用一分压电阻网络串联于电源输入和惠斯通电桥桥臂之间，对惠斯通电桥供电电压进行分压，则分压电阻网络的阻值即为补偿所需的电阻值，用公式1计算满量程输出电压为Vout时对应的惠斯通电桥供电电压Uin：
Figure FDA0003830119850000021
公式1中：
V—电源供电电压，为已知值；
Vout—满量程输出电压，为目标值；
VFS—压力敏感芯体各温度满量程输出电压，通过电阻计算得出；
Uin—满量程输出电压为Vout时对应的惠斯通电桥供电电压，为公式1所求值；
当将各温度下的所述输出电压VFS分别代入公式1计算各个Uin，得到Uin随温度变化曲线；
S23、构造Uin实现对满量程输出电压的补偿，求得分压电阻网络的分压电压U，则有：
U＝Vcc-Uin 公式2；
公式2中：
Vcc—产品供电电压；
Uin—满量程输出电压为VFS时对应的电桥供电电压，通过公式1求得；
S24、分压电阻网络与惠斯通电桥桥臂为串联关系，电流I相同，则电压比等于电阻之比，则：
Figure FDA0003830119850000031
公式3中：
U—分压电阻网络的分压电压；
Uin—满量程输出电压为VFS时对应的惠斯通电桥供电电压，
RB—惠斯通电桥桥臂等效后电阻，通过电阻数据计算得到；
R—分压电阻网络的阻值，为公式3所求值；
通过求出各个温度下所需的分压电阻网络R的值，得到R的温度曲线，该R的温度曲线即为补偿该压力敏感芯体所需的电阻曲线。
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