CN115931010A - 一种硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法及电路。包括零点输出温度曲线非线性补偿方法：在电路仿真环境下，将用于粗调的电阻网络RS串联在硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Rb或桥臂Rd上，再将用于微调的电阻网络RP并联在硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Ra或桥臂Rc上；调节电阻网络RS和RP的阻值，同时通过选择开关Ks选择RS所串联的桥臂，通过选择开关Kp选择RP所并联的桥臂，从而对零点输出温度曲线的非线性进行补偿。本发明能够满足补偿和抵消传感器本征输出与温度的非线性，提高传感器测量精度的要求。
Description
技术领域
本发明属于硅压阻传感器技术领域，涉及一种硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法及电路。
背景技术
硅压阻传感器以单晶硅为原材料，在一定温区内，其输出温漂特性能够较好的维持线性，其本征输出温度非线性指标不影响测量精度，一般不需要对其输出温度非线性进行补偿。
通常，mV输出型硅压阻传感器通过在测量电桥内外串并联电阻、二极管、三极管等方法(以下简称“串并联电阻法”)进行补偿，补偿器件的参数不随温度变化或随温度呈线性变化，因此无法有针对性地调整传感器输出随温度变化的曲线形状。同时，目前仅使用固定电阻进行补偿，补偿前后输出-温度曲线只是做了平移和旋转变换，其曲线的曲度无法调整，因此仅通过固定电阻补偿无法满足更高精度的要求。
因制造工艺限制或技术瓶颈，某些硅压阻传感器尽管可用于更低或更高的温度，但超出一定温区后，其输出随温度的变化将呈现非线性，也即在输出温度曲线上出现拐点。此时，若仍使用串并联电阻法进行补偿，则只能保证较小温度段内的输出温漂符合要求，无法保证宽温区的输出精度。
国内外主流方案是通过温度开关、温控电源、信号调理器或微处理器等多段温度标定的方式解决传感器输出温度非线性的问题，以适应宽温区、高精度的压力测量应用。但这些方案依赖更大规模的电路、甚至集成电路，不仅体积大，而且可靠性受方案的复杂程度影响而降低，在应用中受到的限制非常多。
为了在更宽温区、体积难以容纳大规模电路的场合满足使用要求，需要维持较小的电路规模和降低补偿电路复杂程度，同时补偿传感器的输出温度非线性以进一步提高传感器的补偿精度。目前，国内传感器厂商采用热敏电阻补偿时，无法有针对性地对传感器的输出温度非线性进行补偿。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法及电路。本发明能够满足补偿和抵消传感器本征输出与温度的非线性，提高传感器测量精度的要求。
本发明的技术方案是：一种硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法，包括零点输出温度曲线非线性补偿方法：在电路仿真环境下，将用于粗调的电阻网络RS串联在硅压阻传感器测量电桥的桥臂Rb或桥臂Rd上，再将用于微调的电阻网络RP并联在硅压阻传感器测量电桥的桥臂Ra或桥臂Rc上；调节电阻网络RS和RP的阻值，同时通过选择开关Ks选择RS所串联的桥臂，通过选择开关Kp选择RP所并联的桥臂，从而对零点输出温度曲线的非线性进行补偿。
前述的硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法，还包括灵敏度温度曲线非线性补偿方法：在电路仿真环境下，分别设计电阻网络Rl、电阻网络Rm和电阻网络Rn，将电阻网络Rn与硅压阻传感器测量电桥串联后，再整体与电阻网络Rm并联，最后整体与电阻网络Rl串联在供电干路中；调节电阻网络Rl、Rm和Rn的阻值，使硅压阻传感器测量电桥在不同温度下输出的压力信号的灵敏度恒定。
前述的硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法中，电阻网络Rl、Rm和Rn中,至少包括一组调节全温区输出温度非线性的电阻网络和一组单独调节低温段输出温度非线性的电阻网络。
前述的硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法中，电阻网络包括一个热敏电阻和两个以上的固定电阻，热敏电阻与一个以上的固定电阻并联后，再整体与剩余的固定电阻串联。用于调节热敏电阻标称阻值和温度系数。
前述的补偿方法所使用的补偿电路，包括零点输出温度曲线非线性补偿电路，该补偿电路包括电阻网络RS和电阻网络RP，电阻网络RS的两端分别连接在硅压阻传感器测量电桥的桥臂Rb和桥臂Rd间；桥臂Rb和桥臂Rd间还连接有一个选择开关KS，用于选择电阻网络RS串联的桥臂位置；电阻网络RP的一端与硅压阻传感器测量电桥的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，电阻网络RP的另一端连接有选择开关KP，用于选择电阻网络RP并联的桥臂位置。
前述的补偿电路，还包括灵敏度温度曲线非线性补偿电路，该补偿电路包括电阻网络Rl、电阻网络Rm和电阻网络Rn，电阻网络Rn一端与选择开关KS的公共端连接，另一端接地；电阻网络Rm的一端与硅压阻传感器测量电桥的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，另一端接地；电阻网络Rl一端与硅压阻传感器测量电桥的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，另一端接供电端。
前述的补偿电路中，通过选择开关KP的选择，将电阻网络RP的另一端连接在硅压阻传感器测量电桥的桥臂Ra、Rb的公共端或桥臂Rc、Rd的公共端。
前述的补偿电路中，通过选择开关KS的选择，将电阻网络Rs接入桥臂Rb或Rd。
本发明的优点是：与现有技术相比，本发明利用热敏电阻的阻值随温度非线性变化的特性，通过将其串并联在硅压阻传感器测量电桥的补偿电阻网络中，对传感器测量电桥在不同温度下的电桥平衡状态及供电进行微调，达到高精度补偿的目的。具体地，基于热敏电阻在不同温度下阻值非线性变化的特性，取其开关特性，将其取代硅压阻传感器串并联电阻补偿中的电阻位置。通过电路仿真评估热敏电阻及其串并联电阻网络的不同参数组合对该补偿结果的影响，选择有利于抵消传感器输出温度非线性的组合，获得补偿传感器输出温度非线性的效果；该方法提高了传感器在全温区的测量精度。表1为未使用本发明与使用本发明的电路仿真结果对比。
表1
本发明将热敏电阻用于硅压阻传感器的补偿，在不大量增加器件和提高电路规模及复杂程度的情况下，仅增加热敏电阻一种器件即可实现传感器的输出温度非线性补偿，其结构简单，方法新颖，适用于新品开发和批量生产，具有较大的实际应用价值。与传统补偿电路相比，该方法实现的电路无需内置基准电源，可以用于传感、变送分离设计方案。电磁兼容和供电在变送部分实现，无需在传感器级别产品中增加额外电路，体积大大减小，最小尺寸产品仅为φ20mm×26mm，而传统产品的本体尺寸至少为φ22mm×42mm。另外，由于压力敏感元件和补偿器件均为阻性和容性元件，在耐高温设计中，可以采用耐高温器件使传感器整体耐高温性能更好，最高耐温可达215℃。
附图说明
图1为硅压阻传感器补偿电路的原理图；
图2为NTC热敏电阻并联电阻后输出特性；
图3为小阻值(标称值500Ω以下)NTC热敏电阻调整传感器低温段热灵敏度系数的效果示意图；
图4为大阻值(标称值1kΩ以上)NTC热敏电阻调整传感器全温区热灵敏度系数的效果示意图；
图5为大阻值(标称值100kΩ以上)NTC热敏电阻调整传感器低温段热零点输出系数的效果示意图；
图6为硅压阻传感器的输出-温度非线性特性；
图7为硅压阻传感器的输出-温度曲线非线性过大时影响高精度测量。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法，参见图1-7，包括零点输出温度曲线非线性补偿方法：在电路仿真环境下，将用于粗调的电阻网络RS串联在硅压阻传感器测量电桥5的桥臂Rb或桥臂Rd上，再将用于微调的电阻网络RP并联在硅压阻传感器测量电桥5的桥臂Ra或桥臂Rc上；调节电阻网络RS和RP的阻值，同时通过选择开关Ks选择RS所串联的桥臂，通过选择开关Kp选择RP所并联的桥臂，从而对零点输出温度曲线的非线性进行补偿。该补偿方法还包括灵敏度温度曲线非线性补偿方法：在电路仿真环境下，分别设计电阻网络Rl、电阻网络Rm和电阻网络Rn，将电阻网络Rn与硅压阻传感器测量电桥5串联后，再整体与电阻网络Rm并联，最后整体与电阻网络Rl串联在供电干路中；调节电阻网络Rl、Rm和Rn的阻值，使硅压阻传感器测量电桥5在不同温度下输出的压力信号的灵敏度恒定。
电阻网络Rl、Rm和Rn中,至少包括一组调节全温区输出温度非线性的电阻网络和一组单独调节低温段输出温度非线性的电阻网络。
电阻网络包括一个热敏电阻和两个以上的固定电阻，热敏电阻与一个以上的固定电阻并联后，再整体与剩余的固定电阻串联。用于调节热敏电阻标称阻值和温度系数。
前述的补偿方法所使用的补偿电路，包括零点输出温度曲线非线性补偿电路，该补偿电路包括电阻网络RS和电阻网络RP，电阻网络RS的两端分别连接在硅压阻传感器测量电桥5的桥臂Rb和桥臂Rd间；桥臂Rb和桥臂Rd间还连接有一个选择开关KS，用于选择电阻网络RS串联的桥臂位置；电阻网络RP的一端与硅压阻传感器测量电桥5的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，电阻网络RP的另一端连接有选择开关KP，用于选择电阻网络RP并联的桥臂位置。
前述的补偿电路还包括灵敏度温度曲线非线性补偿电路，该补偿电路包括电阻网络Rl、电阻网络Rm和电阻网络Rn，电阻网络Rn一端与选择开关KS的公共端连接，另一端接地；电阻网络Rm的一端与硅压阻传感器测量电桥5的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，另一端接地；电阻网络Rl一端与硅压阻传感器测量电桥5的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，另一端接供电端。
通过选择开关KP的选择，将电阻网络RP的另一端连接在硅压阻传感器测量电桥5的桥臂Ra、Rb的公共端或桥臂Rc、Rd的公共端。
通过选择开关KS的选择，将电阻网络Rs接入桥臂Rb或Rd。
请参阅图1，硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法由5组含热敏电阻的补偿电阻网络组成，所述补偿电阻网络分别对应零点输出补偿RS、热零点补偿RP和灵敏度补偿Rl、Rm、Rn，分别用于对零点和满量程输出及其温漂和输出温度非线性进行补偿。
请参阅图2，所述补偿电路网络基本由热敏电阻先并联固定电阻再串联固定电阻组成，改变并联电阻的电阻值可调整热敏电阻阻值随温度变化的特性，因此在补偿电路中可给出较为宽松的热敏电阻规格要求。
当补偿仿真计算时，计算所需热敏电阻阻值条件根据给定的温度确定，可以根据热敏电阻标称电阻和温度系数计算得来，或根据事先标定的结果通过插值法或曲线拟合算法计算得来。
请参阅图3、图4和图5，补偿电阻网络Rl和Rn补偿灵敏度温度非线性时：
a)若热敏电阻标称值在500Ω以下，则并联其上的固定电阻的电阻值越大，低温段满量程输出随温度降低而减小的幅值越大；反之，低温段满量程输出随温度降低而减小的幅值越小。
b)若热敏电阻标称值在1kΩ以上，则并联其上的固定电阻的电阻值越大，削弱满量程输出随温度升高而降低的速度；反之，则会削弱满量程输出随温度升高而升高的速度。
补偿电阻网络Rm与Rl、Rn的补偿作用相反。
补偿电阻网络RP与RS中增加热敏电阻后，可有针对性地改善传感器零点输出温度的非线性。
注意：图3-图5以NTC热敏电阻为例，采用PTC特性的热敏电阻进行补偿时，作用相反。
综上，利用热敏电阻的阻值-温度曲线非线性的特点，在串并联电阻法中增加含热敏电阻的电阻网络，即可有针对性地调整硅压阻传感器的输出温度曲线，消除其工作拐点，提高补偿精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法，其特征在于，包括零点输出温度曲线非线性补偿方法：在电路仿真环境下，将用于粗调的电阻网络RS串联在硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Rb或桥臂Rd上，再将用于微调的电阻网络RP并联在硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Ra或桥臂Rc上；调节电阻网络RS和RP的阻值，同时通过选择开关Ks选择RS所串联的桥臂，通过选择开关Kp选择RP所并联的桥臂，从而对零点输出温度曲线的非线性进行补偿。
2.根据权利要求1所述的硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法，其特征在于，还包括灵敏度温度曲线非线性补偿方法：在电路仿真环境下，分别设计电阻网络Rl、电阻网络Rm和电阻网络Rn，将电阻网络Rn与硅压阻传感器测量电桥(5)串联后，再整体与电阻网络Rm并联，最后整体与电阻网络Rl串联在供电干路中；调节电阻网络Rl、Rm和Rn的阻值，使硅压阻传感器测量电桥(5)在不同温度下输出的压力信号的灵敏度恒定。
3.根据权利要求2所述的硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法，其特征在于，电阻网络Rl、Rm和Rn中,至少包括一组调节全温区输出温度非线性的电阻网络和一组单独调节低温段输出温度非线性的电阻网络。
4.根据权利要求1或2所述的硅压阻传感器输出温度曲线非线性的补偿方法，其特征在于，电阻网络包括一个热敏电阻和两个以上的固定电阻，热敏电阻与一个以上的固定电阻并联后，再整体与剩余的固定电阻串联。用于调节热敏电阻标称阻值和温度系数。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的补偿方法所使用的补偿电路，其特征在于，包括零点输出温度曲线非线性补偿电路，该补偿电路包括电阻网络RS和电阻网络RP，电阻网络RS的两端分别连接在硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Rb和桥臂Rd间；桥臂Rb和桥臂Rd间还连接有一个选择开关KS，用于选择电阻网络RS串联的桥臂位置；电阻网络RP的一端与硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，电阻网络RP的另一端连接有选择开关KP，用于选择电阻网络RP并联的桥臂位置。
6.如权利要求5所述的补偿电路，其特征在于，还包括灵敏度温度曲线非线性补偿电路，该补偿电路包括电阻网络Rl、电阻网络Rm和电阻网络Rn，电阻网络Rn一端与选择开关KS的公共端连接，另一端接地；电阻网络Rm的一端与硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，另一端接地；电阻网络Rl一端与硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Ra和桥臂Rc的公共端连接，另一端接供电端。
7.如权利要求5所述的补偿电路，其特征在于，通过选择开关KP的选择，将电阻网络RP的另一端连接在硅压阻传感器测量电桥(5)的桥臂Ra、Rb的公共端或桥臂Rc、Rd的公共端。
8.如权利要求5所述的补偿电路，其特征在于，通过选择开关KS的选择，将电阻网络Rs接入桥臂Rb或Rd。
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