CN116296047A - 一种单晶硅压力变送器的温度补偿改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力变送器领域，公开了一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法。将温度传感器封装在单晶硅压力传感器内部，通过单晶硅压力传感器获取变送器的压力数据；通过温度传感器获取单晶硅压力变送器的温度数据；调整变送器零点，校准压力测量与输出下限。对数据进行预处理，利用插值运算法和查表法，对压力数据以及温度数据进行补偿运算，得到压力和温度数据矩阵；基于压力和温度数据矩阵，利用曲线拟合算法得到补偿模型，进一步利用补偿模型进行变送器的温度自动补偿。与现有技术相比，本发明通过对变送器采集的数据进行标定、分析、拟合，来实现通过温度补偿降低变送器的精度影响因素，同时达到温度自动补偿的效果。
Description
技术领域
本发明涉及压力变送器领域，具体涉及一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法。
背景技术
目前压力变送器作为工业活动中最为常见的变送器之一，其广泛运用于交通运输、石油化工、军事工业等各种工业自动控制的领域中。故高精度测量成为压力变送器的一项重要功能标准。随着国内单晶硅压力传感器技术的日趋成熟，国产单晶硅压力变送器性能逐渐提升，但受制于高精度A/D转换器、低功耗高性能CPU等制约，以及非线性、温度补偿的核心算法研究不足，国产单晶硅压力变送器的全温区精度很难达到国际先进水平。
为提高单晶硅变送器的温度特性和线性精度，现有常规补偿方法有基于曲线拟合算法的温度补偿，基于最小二乘法的温度补偿算法以及基于神经网络算法补偿，但这些方法要么难以达到比较理想的精度，要么运算学习和训练过程、实现过程复杂。要想达到比较理想的精度，一般需要采用5个甚至7个以上温区，并在每个温区下采集15个压力点进行分段折线化计算。显然，这会给变送器的生产带来严重的负担，每个温区温度恒定控制至少需要3个小时，再加上每个温区下15个压力点的压力采集测试，完成每个温区下压力采集大约需要3.5小时。所以完成整个温度线性校准的时间一般在20个小时左右，严重影响了企业的生产效率。故针对以上问题提出一种单晶硅压力变送器的温度补偿改进方法，以满足实际使用需求。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种单晶硅压力变送器的温度补偿改进方法，基于单晶硅压力变送器，对其温度补偿的方法进行设计改进，实现24小时全天候无人值守智能化温度补偿，进而实现高精度测量标准。
技术方案：本发明提供了一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法，将温度传感器封装在单晶硅压力变送器的单晶硅压力传感器内部，用于保证同步反应单晶硅压力传感器的温度变化，具体包括如下步骤：
步骤1：为单晶硅压力变送器供电，通过单晶硅压力传感器、温度传感器获取压力、温度数据；
步骤2：单晶硅压力变送器零点的调整，基于步骤1采集的压力数据，对压力变送器的零点进行调整，使变送器输出信号的下限与测量信号的下限值相对应；
步骤3：数据预处理，基于步骤1与步骤2，利用插值运算法以及查表法，对压力数据以及温度数据进行补偿运算，得到压力和温度数据矩阵；
步骤4：基于步骤3的数据矩阵利用曲线拟合算法计算出拟合系数，得到补偿模型，进一步利用补偿模型进行变送器数据自动补偿。
进一步地，所述步骤2中测量信号的下限值为：压力传感器所测的压力量程下限，与测量信号的下限对应的为步骤2中所述的变送器输出的信号下限。
进一步地，所述步骤3中利用插值运算法和查表法，对压力数据以及温度数据进行补偿运算具体包括：将步骤1所测量的变送器输出压力与单晶硅压力传感器输出的压力和温度传感器输出的温度信号的关系表示为函数：
P＝f(u,t)
其中P为变送器最终输出的压力值；u为传感器输出的压力信号，t为传感器输出的温度信号；
根据压力变送器的输出曲线，将变送器的最终输出P与压力传感器的输出u分为若干个压力区间，每个压力区间的端点输出Pn都有与之对应的压力传感器对应输出un，把所有区间的端点(Pn，un)按序编成表格存储到微处理器中，则压力变送器的输出值P∈[Pn，Pn+1]，在区间[Pk，Pk+1]内，利用插值算式计算得到压力传感器输出u：
当温度为t时，压力变送器输出为P，通过查表法找出输出P所属范围[Pn，Pn+1)，取压力区间对应压力端点(Pn，un)和(Pn+1，un+1)带入可得压力传感器压力输出值u；需对不同温度下各压力输出进行标定；
同理，在温度t∈[ti，ti+1]时，对变送器输出P进行插值运算；
计算温度ti下，输出压力插值：
计算温度ti+1下，输出压力插值：
在温度t下，输出压力插值：
其中，m和k代表传感器的压力标定序号，如um+1i为温度为ti下(m+1)段的压力值；Pdm、Pdm+1、Pdk、Pdk+1为插值节点的值，可通过查表法得出。
进一步地，所述步骤4中通过曲线拟合算法从一组或几组测定的数据中寻求变量之间的依赖关系，并估算出传感器的非线性和温度影响的曲线，用最小的采集样本数，确定拟合的阶数，所述曲线拟合算法中采用多项式拟合，结合上述插值计算公式，压力变送器输出补偿模型可表示为：
其中A为线性拟合系数，C为温补拟合系数；
在步骤3数据预处理阶段，得到kn个温区下mn个压力的数据矩阵，通过数据矩阵计算出温补拟合系数C0、C1……Cn和线性拟合系数A0、A1……An：
其中，kn为样本总数，即压力采集组数，Cn为第n组数据下的温度补偿拟合系数；
进一步地，所述步骤4中分别将温补拟合系数和线性拟合系数发送到存储器中存储，压力传感器输出电压值u和温度传感器输出温度值t通过A/D转换器输出串行信号经过串并转换电路送到DSP运算电路中，将计算好的温补拟合系数和线性拟合系数作为常数，将采集到的压力信号和温度信号作为变量带入补偿模型中即可，补偿后结果通过并、串转换电路输出，实现温度自动补偿。
与现有技术相比，本发明型的有益效果在于：
本发明在单晶硅压力变送器的基础上，针对温度补偿方法以及补偿效率上作出改进，将温度传感器封装在压力传感器内，能将温度数据存储于存储器中，在温度补偿算法中，利用插值运算法和查表法与曲线拟合算法相结合，实现了温度自动补偿，大大提升了补偿效率，也提高了补偿精度，减小了测量误差，达到精度提升的目的。
附图说明
图1为本发明的压力变送器工作流程图；
图2为本发明压力传感器结构图；
图3为压力变送器的系统框图；
图4为本发明仿真结果对比图。
具体实施方式
下面将根据附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法，该方法基于图2、图3所述结构进行，将温度传感器封装于单晶硅压力传感器内。具体包含如下内容：
步骤1：采集单晶硅压力变送器压力数据。本发明中涉及的变送器主要为单晶硅式压力变送器，单晶硅式压力变送器的单晶硅压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。单晶硅压力变送器的工作原理为本领域技术人员的公知技术，非本发明需要保护的重点，此处不做赘述。
温度传感器的数据采集，温度传感器封装在压力传感器内部，由于单晶硅片容易受到温度的影响，使得其应变值与实际应变值发生偏差。在环境复杂的情况下，应变电阻阻值变化波动将变大，使得传感器的输出温度漂移现象加剧；其次，单晶硅片扩散的桥路电阻在工作时，本身就在消耗电能产生热量，而电阻恰好对温度是敏感的，特性不好的容易产生偏差，同样会影响惠斯登电桥的平衡性。故将温度传感器封装在压力传感器内可以保证温度传感器能同步反应压力传感器的温度变化，用于实现自动温度补偿。此外，参见图3，采用高精度AD7793型号A/D转换器，设计双通道分别采集压力和温度信号，用于信号转换；采用高性能低功耗的32位ArmCortex-M3微控制器，作为变送器的处理器；采用的EEPROM芯片为采用IIC总线的低功耗存储器BL24C512，能实现低功耗数据存储，用于保存传感器特征数据来进行温度补偿计算；采用BL24C64A提供65536位串行可擦除和可编程只读存储器(EEPROM)，额外提供一种页面，可用于存储敏感的应用程序参数。
步骤2：压力传感器零点的调整。通过单晶硅压力变送器的自身零点调整功能，将变送器的输出信号的下限值与测量信号的下限值相对应，使得后续测量的压力与实际输出偏差最小化。零点调整是基于步骤1采集的压力数据，对压力零点进行调整的操作，目的使变送器输出信号的下限与测量信号的下限值相对应。减小后续步骤中补偿过程的数据处理的误差。测量信号的下限为：压力传感器所测的压力量程下限，与测量信号的下限对应的为单晶硅压力变送器输出的信号下限。
步骤3：对采集的压力数据与温度数据进行预处理。基于步骤1与步骤2，利用插值运算法以及查表法，对压力数据以及温度数据进行补偿运算，得到压力和温度数据矩阵。具体过程如下：将步骤1与步骤2所测量的变送器输出压力与压力传感器、温度传感器输出的压力和温度信号的关系表示为函数：
P＝f(u,t)
其中P为变送器最终输出的压力值；u为传感器输出的压力信号，t为传感器输出的温度信号。
根据压力变送器的输出曲线，将变送器的最终输出P与压力传感器的输出u分为若干个压力区间，每个压力区间的端点输出Pn都有与之对应的传感器对应输出un，把所有区间的端点(Pn，un)按序编写成表格存储到微处理器中，则压力变送器的输出值P∈[Pn，Pn+1]，在区间[Pk，Pk+1]内，利用插值算式计算得到传感器输出u。
当温度为t时，压力变送器输出为P，通过查表法找出输出P所属范围[Pn，Pn+1)，取压力区间对应压力端点(Pn，un)和(Pn+1，un+1)带入可得传感器压力输出值u。需对不同温度下各压力输出进行标定。
同理，在温度t∈[ti，ti+1]时，对变送器输出P进行插值运算。
计算温度ti下，输出压力插值：
计算温度ti+1下，输出压力插值：
在温度t下，输出压力插值：
其中，m和k代表压力传感器的压力标定序号，如um+1i为温度为ti下(m+1)段的压力值。Pdm、Pdm+1、Pdk、Pdk+1为插值节点的值，可通过查表法得出。原始温度压力标定采样数据存储于微处理器中，可直接参与补偿运算。
步骤4：变送器的温度补偿，基于步骤3的数据矩阵利用曲线拟合算法计算出拟合系数，得到补偿模型，进一步利用补偿模型进行变送器数据自动补偿。具体包括：
通过曲线拟合算法可以从一组或几组测定的数据中寻求变量之间的依赖关系，并估算出传感器的非线性和温度影响的曲线，用最小的采集样本数，确定拟合的阶数，达到较高的拟合精度。本发明曲线拟合算法中采用多项式拟合，结合上述插值计算公式，压力变送器输出补偿模型可表示为：
其中A为线性拟合系数，C为温补拟合系数。
在数据预处理环节，我们会得到kn个温区下mn个压力的数据矩阵，通过数据矩阵计算出温补拟合系数C0、C1……Cn和线性拟合系数A0、A1……An。其中
其中，kn为样本总数，即压力采集组数，Cn为第n组数据下的温度补偿拟合系数。
分别将这些数据发送到BL24C512中存储，压力传感器输出电压值u和温度传感器输出t通过A/D转换输出串行信号经过串并转换电路送到DSP运算电路中，为了方便在硬件上减小运算量，将拟合系数适当调整，使得拟合系数以统一格式存放。处理器无需计算复杂的Cn和An等一系列系数，采用MATLAB2018b作为软件平台，利用MATLAB图形用户界面编程实现压力传感器高阶系数计算，只需将计算好的系数作为常数，将采集到的压力信号和温度信号作为变量带入公式
中即可。温度压力标定采样数据存储于微处理器中，可直接参与补偿运算，补偿后结果通过并、串转换电路输出，实现温度自动补偿。
为了验证方法的有效性，采用以下方法进行仿真实验，实验环境基于Window10操作系统(Inter(R)Core(TM)i5-5200UCPU@2.2GHz2.19GHZ)作为硬件处理平台，采用MATLAB作为软件平台结合实现算法的运行与图像的显示。
为了进一步说明改进方法的优越性，结合同温、同压以及同类型压力传感下采用控制变量法，对本文改进方法的测量数据与传统方法测量的数据做线性对比，并对所得结果进行对比研究。
表1压力传感器不同温度下输出数据
分析表1中结果可以看出，本文的改进方法与预期输出数值更为接近，误差更小，温度补偿效果明显。
参见图4，图4为压力传感器各校准方法输出仿真结果对比，从中可以看出，仅使用插值法或最小二乘法的校准输出结果还存在较小的非线性变化，而通过本文的校准方法几乎实现了线性化过程。相比另外两种校准方法，本文的校准方法与标准输出偏差最小，达到了改进的目的。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法，其特征在于，将温度传感器封装在单晶硅压力变送器的单晶硅压力传感器内部，用于保证同步反应单晶硅压力传感器的温度变化，具体包括如下步骤：
步骤1：为单晶硅压力变送器供电，通过单晶硅压力传感器、温度传感器获取压力、温度数据；
步骤2：单晶硅压力变送器零点的调整，基于步骤1采集的压力数据，对压力变送器的零点进行调整，使变送器输出信号的下限与测量信号的下限值相对应；
步骤3：数据预处理，基于步骤1与步骤2，利用插值运算法以及查表法，对压力数据以及温度数据进行补偿运算，得到压力和温度数据矩阵；
步骤4：基于步骤3的数据矩阵利用曲线拟合算法计算出拟合系数，得到补偿模型，进一步利用补偿模型进行变送器数据自动补偿。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法，其特征在于，所述步骤2中测量信号的下限值为：压力传感器所测的压力量程下限，与测量信号的下限对应的为步骤2中所述的变送器输出的信号下限。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法，其特征在于，所述步骤3中利用插值运算法和查表法，对压力数据以及温度数据进行补偿运算具体包括：将步骤1所测量的变送器输出压力与单晶硅压力传感器输出的压力和温度传感器输出的温度信号的关系表示为函数：
P＝f(u,t)
其中P为变送器最终输出的压力值；u为传感器输出的压力信号，t为传感器输出的温度信号；
根据压力变送器的输出曲线，将变送器的最终输出P与压力传感器的输出u分为若干个压力区间，每个压力区间的端点输出Pn都有与之对应的压力传感器对应输出un，把所有区间的端点(Pn，un)按序编成表格存储到微处理器中，则压力变送器的输出值P∈[Pn，Pn+1]，在区间[Pk，Pk+1]内，利用插值算式计算得到压力传感器输出u：
当温度为t时，压力变送器输出为P，通过查表法找出输出P所属范围[Pn，Pn+1)，取压力区间对应压力端点(Pn，un)和(Pn+1，un+1)带入可得压力传感器压力输出值u；需对不同温度下各压力输出进行标定；
同理，在温度t∈[ti，ti+1]时，对变送器输出P进行插值运算；
计算温度ti下，输出压力插值：
计算温度ti+1下，输出压力插值：
在温度t下，输出压力插值：
其中，m和k代表传感器的压力标定序号，如u(m+1)i为温度为ti下(m+1)段的压力值；Pdm、Pdm+1、Pdk、Pdk+1为插值节点的值，可通过查表法得出。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅压力变送器温度补偿改进方法，其特征在于，所述步骤4中通过曲线拟合算法从一组或几组测定的数据中寻求变量之间的依赖关系，并估算出传感器的非线性和温度影响的曲线，用最小的采集样本数，确定拟合的阶数，所述曲线拟合算法中采用多项式拟合，结合上述插值计算公式，压力变送器输出补偿模型可表示为：
其中A为线性拟合系数，C为温补拟合系数；
在步骤3数据预处理阶段，得到kn个温区下mn个压力的数据矩阵，通过数据矩阵计算出温补拟合系数C0、C1……Cn和线性拟合系数A0、A1……An：
其中，kn为样本总数，即压力采集组数，Cn为第n组数据下的温度补偿拟合系数；
5.根据权利要求1所述的一种单晶硅压力变送器温度补偿的改进方法，其特征在于，所述步骤4中分别将温补拟合系数和线性拟合系数发送到存储器中存储，压力传感器输出电压值u和温度传感器输出温度值t通过A/D转换器输出串行信号经过串并转换电路送到DSP运算电路中，将计算好的温补拟合系数和线性拟合系数作为常数，将采集到的压力信号和温度信号作为变量带入补偿模型中即可，补偿后结果通过并、串转换电路输出，实现温度自动补偿。
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