CN117330278A - 用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高超声速风洞测量设备技术领域，公开了一种用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法。温度补偿信号调理方法包括加工全桥半导体应变计；计算全桥半导体应变计的零点温度漂移；建立全桥半导体应变计的数字可调电桥；进行全桥半导体天平的零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿；建立全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路；在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序。温度补偿信号调理方法针对全桥半导体天平在高超声速风洞试验环境下存在不可避免的温度漂移问题，建立了用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理系统，利用嵌入式系统的设计思想和方法，在高超声速风洞试验时，自动实现对全桥半导体天平输出信号的数据采集、信号分析和温度补偿。

Description

用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法
技术领域
本发明属于高超声速风洞测量设备技术领域，具体涉及一种用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法。
背景技术
如今，各类飞行器武器系统的研制对气动力特性地面预测精准度提出了更高的要求，如要求精准预测升力体飞行器的小横侧向气动力、小不对称弹头的滚转力矩、低密度状态下的微量气动载荷等，用于优化飞行器的气动布局和控制系统，并提高落点精度。
目前高超声速风洞通常采用电阻天平，实际上半导体天平的灵敏度远大于电阻天平（高出1～2个数量级），但是温度漂移是限制半导体天平性能的主要瓶颈问题。半导体天平的温度性能较差，主要是因为半导体天平使用了数量较多的、温度系数较大的半导体应变计。在高超声速风洞试验环境下，半导体天平的温度场比较复杂，不仅具有整体的温度变化，还有局部的温度梯度，使得半导体天平的温度漂移补偿具有较高难度。虽然，全桥半导体天平通过半导体应变计的全桥结构降低了大部分温度漂移，但依然存在不可避免的小量温度漂移。因此，需要对全桥半导体天平进行高精度的温度补偿，以提高全桥半导体天平的测力精准度。
开展高精准度的半导体天平测力技术研究，对于有效提高高超声速风洞试验气动力特性地面预测精准度，进而提高飞行器气动特性具有重要意义。当前，亟需发展一种用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，建立在风洞变温环境下的天平温度补偿技术。
本发明的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，包括以下步骤：
S10.加工全桥半导体应变计；
S20.计算全桥半导体应变计的零点温度漂移；
S30.建立全桥半导体应变计的数字可调电桥；
S40.进行全桥半导体天平的零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿；
S50.建立全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路；
S60.在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序。
进一步地，其特征在于，所述的S10的加工全桥半导体应变计，具体内容如下：
全桥半导体应变计在单片基底上制作四个敏感电阻并组建惠斯顿电桥，四个敏感电阻的阻值分别为R 1 、R 2 、R 3 和R 4 ，四个端口为Uoa、Uob、Ui和地线；
理想情况下，四个敏感电阻的阻值相等，R 1 =R 2 =R 3 =R 4 ，对应的电阻温度系数也相等，α 1 =α 2 =α 3 =α 4 ；在温度作用下，全桥半导体应变计沿四周产生均匀的变形，四个敏感电阻变形相同，惠斯顿电桥始终保持平衡；
如果在全桥半导体应变计上施加载荷ε，导致阻R 1 、R 3 的阻值变小，而R 2 、R 4 的阻值变大，惠斯顿电桥失去平衡；但是，全桥半导体应变计输出电势差与应变的大小成比例；可见，全桥半导体应变计结构在理想情况下能够抑制零点温漂。
进一步地，所述的S20的计算全桥半导体应变计的零点温度漂移，具体内容如下：
实际情况是，全桥半导体应变计的四个敏感电阻的阻值不相等，电阻温度系数也不相等，惠斯顿电桥出现零点温度漂移，四个敏感电阻的阻值分别为R 1 =（1+α 1 ΔT）R 0 ，R 2 =（1+α 2 ΔT）R 0 ，R 3 =（1+α 3 ΔT）R 0 ，R 4 =（1+α 4 ΔT）R 0 ，R 0 为零点补偿电阻；
零点温度漂移的温度输出表达式如下：
；
式中：U为电压，V；ΔT为温度差，℃。
进一步地，所述的S30的建立全桥半导体应变计的数字可调电桥，具体内容如下：
进行高超声速风洞试验时，全桥半导体应变计处于温度梯度场中，四个敏感电阻的温度不相同，引起温度输出，影响全桥半导体应变计的精准度；半导体应变计的灵敏度随温度变化范围为-0.1℃~-0.3/℃；随着高超声速风洞试验段温度上升，半导体应变计的灵敏度下降；如果在高超声速风洞试验中使用半导体应变计，必须进行灵敏度温度补偿，建立全桥半导体应变计数字可调电桥；
全桥半导体应变计数字可调电桥在全桥半导体应变计的敏感电阻R 1 和敏感电阻R 4 之间串联零点补偿电阻R 0 ，零点补偿电阻R 0 的两端分别为Uoa 1 和Uoa 2 ；将敏感电阻R 1 替换为2个敏感电阻R 01 并联电路，敏感电阻R 2 替换为2个敏感电阻R 02 并联电路，定义位于R 1 位置的R 01 为温漂补偿电阻R 01 ，定义位于R 2 位置的R 02 为温漂补偿电阻R 02 ；在Ui串联灵敏度补偿电阻R s ，并顺序连接至Us。
进一步地，所述的S40的进行全桥半导体天平的零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿，具体内容如下：
S41.在全桥半导体天平上预先设定的16个位置处粘贴全桥半导体应变计；
S42.在室温环境下对全桥半导体天平的各全桥半导体应变计进行初步的零点补偿；
S43.设置温控箱温度为60℃，再将全桥半导体天平放置在温控箱内烘烤0.5h；待全桥半导体天平信号输出稳定后，根据室温和温控箱温度下的各全桥半导体应变计的信号差量，分别进行零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿；
S44.将全桥半导体天平取出降温至室温，记录各全桥半导体应变计在降温前后的信号，直至各全桥半导体应变计的信号漂移小于1mV；
S45.对各全桥半导体应变计的温漂补偿电阻R 01 、温漂补偿电阻R 02 中的一个进行补偿，使得全桥半导体应变计的零点输出在1mV以内。
进一步地，所述的S50的建立全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路，具体内容如下：
全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路由数字可调电桥模块和信号采集与控制模块组成；数字可调电桥模块由16个数字可调电桥组成，每个数字可调电桥的零点补偿电阻R 0 、温漂补偿电阻R 01 、温漂补偿电阻R 02 和灵敏度补偿电阻R s 均为可调数字电阻，各可调数字电阻的阻值通过温度试验确定，并通过信号采集与控制模块中的可调电阻控制子模块设置；
信号采集与控制模块由放大器、A/D转换芯片、微处理器、网口组成；其中，微处理器具备放大器控制、可调电阻控制、数字滤波、数据传输功能；
对于数字可调电桥输出信号依次进行放大器放大、A/D转换芯片，然后送入微处理器处理。
进一步地，所述的S60的在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序，具体内容如下：
为实现对全桥半导体天平输出信号的数据采集、信号分析和温度补偿，在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序；
温度补偿信号调理程序的主函数对数字可调电桥模块和信号采集与控制模块进行初始化，然后根据工作人员命令进入配置模式或者工作模式；在配置模式下，更新FLASH中配置的数据，并依次完成放大器配置、可调电阻配置和数字滤波配置；在工作模式下，首先按照设定的频率从A/D转换芯片中进行数据采集，然后完成数字滤波和信号分析，并自动计算可调电阻阻值，根据预先设定的标准判断可调电阻阻值达标后结束温度补偿信号调理；否则，根据工作人员命令重新进入配置模式或者工作模式。
进一步地，为了改善数字可调电桥输出信号，数字可调电桥输出信号经放大器放大后再进行滤波，单路滤波模块采用二阶有源滤波电路，滤波截止频率根据采样频率确定。
本发明的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，针对全桥半导体天平在高超声速风洞试验环境下存在不可避免的温度漂移问题，建立了用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理系统，利用嵌入式系统的设计思想和方法，在高超声速风洞试验时，自动实现对全桥半导体天平输出信号的数据采集、信号分析和温度补偿。
本发明的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，保持了半导体天平高灵敏度的优点，同时解决了限制半导体天平性能的温度漂移瓶颈问题；适用于高超声速风洞试验环境，半导体天平所处的温度场复杂，不仅具有整体的温度变化，还有局部的温度梯度；适用于数量较多的、温度系数较大的半导体应变计。
本发明的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法补偿过程自动化，几乎不需要人工参与，能够有效提高全桥半导体天平的温度补偿效率，调理方法综合考虑了各种影响因素，能够有效提高全桥半导体天平的温度补偿精度。
附图说明
图1为本发明的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法流程图；
图2为全桥半导体应变计结构示意图；
图3为全桥半导体应变计的零点温度漂移示意图；
图4为全桥半导体应变计的数字可调电桥结构示意图；
图5为全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路组成框图；
图6为全桥半导体天平的温度补偿信号调理程序流程图。
图4中，101.零点补偿电阻R 0 ；1021.温漂补偿电阻R 01 ；1022.温漂补偿电阻R 02 ；103.灵敏度补偿电阻R s 。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，包括以下步骤：
S10.加工全桥半导体应变计；
S20.计算全桥半导体应变计的零点温度漂移；
S30.建立全桥半导体应变计的数字可调电桥；
S40.进行全桥半导体天平的零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿；
S50.建立全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路；
S60.在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序。
进一步地，其特征在于，所述的S10的加工全桥半导体应变计，具体内容如下：
如图2所示，全桥半导体应变计在单片基底上制作四个敏感电阻并组建惠斯顿电桥，四个敏感电阻的阻值分别为R 1 、R 2 、R 3 和R 4 ，四个端口为Uoa、Uob、Ui和地线；
理想情况下，四个敏感电阻的阻值相等，R 1 =R 2 =R 3 =R 4 ，对应的电阻温度系数也相等，α 1 =α 2 =α 3 =α 4 ；在温度作用下，全桥半导体应变计沿四周产生均匀的变形，四个敏感电阻变形相同，惠斯顿电桥始终保持平衡；
如果在全桥半导体应变计上施加载荷ε，导致阻R 1 、R 3 的阻值变小，而R 2 、R 4 的阻值变大，惠斯顿电桥失去平衡；但是，全桥半导体应变计输出电势差与应变的大小成比例；可见，全桥半导体应变计结构在理想情况下能够抑制零点温漂。
进一步地，所述的S20的计算全桥半导体应变计的零点温度漂移，具体内容如下：
实际情况是，全桥半导体应变计的四个敏感电阻的阻值不相等，电阻温度系数也不相等，惠斯顿电桥出现零点温度漂移，如图3所示，四个敏感电阻的阻值分别为R 1 =1+α 1 Δ TR 0 ，R 2 =1+α 2 ΔTR 0 ，R 3 =1+α 3 ΔTR 0 ，R 4 =1+α 4 ΔTR 0 ，R 0 为零点补偿电阻；
零点温度漂移的温度输出表达式如下：
；
式中：U为电压，V；ΔT为温度差，℃。
进一步地，所述的S30的建立全桥半导体应变计的数字可调电桥，具体内容如下：
进行高超声速风洞试验时，全桥半导体应变计处于温度梯度场中，四个敏感电阻的温度不相同，引起温度输出，影响全桥半导体应变计的精准度；半导体应变计的灵敏度随温度变化范围为-0.1℃~-0.3/℃；随着高超声速风洞试验段温度上升，半导体应变计的灵敏度下降；如果在高超声速风洞试验中使用半导体应变计，必须进行灵敏度温度补偿，建立全桥半导体应变计数字可调电桥；
如图4所示，全桥半导体应变计数字可调电桥在全桥半导体应变计的敏感电阻R 1 和敏感电阻R 4 之间串联零点补偿电阻R 0 101，零点补偿电阻R 0 101的两端分别为Uoa 1 和Uoa 2 ；将敏感电阻R 1 替换为2个敏感电阻R 01 并联电路，敏感电阻R 2 替换为2个敏感电阻R 02 并联电路，定义位于R 1 位置的R 01 为温漂补偿电阻R 01 1021，定义位于R 2 位置的R 02 为温漂补偿电阻R 02 1022；在Ui串联灵敏度补偿电阻R s 103，并顺序连接至Us。
进一步地，所述的S40的进行全桥半导体天平的零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿，具体内容如下：
S41.在全桥半导体天平上预先设定的16个位置处粘贴全桥半导体应变计；
S42.在室温环境下对全桥半导体天平的各全桥半导体应变计进行初步的零点补偿；
S43.设置温控箱温度为60℃，再将全桥半导体天平放置在温控箱内烘烤0.5h；待全桥半导体天平信号输出稳定后，根据室温和温控箱温度下的各全桥半导体应变计的信号差量，分别进行零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿；
S44.将全桥半导体天平取出降温至室温，记录各全桥半导体应变计在降温前后的信号，直至各全桥半导体应变计的信号漂移小于1mV；
S45.对各全桥半导体应变计的温漂补偿电阻R 01 1021、温漂补偿电阻R 02 1022中的一个进行补偿，使得全桥半导体应变计的零点输出在1mV以内。
进一步地，所述的S50的建立全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路，具体内容如下：
如图5所示，全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路由数字可调电桥模块和信号采集与控制模块组成；数字可调电桥模块由16个数字可调电桥组成，每个数字可调电桥的零点补偿电阻R 0 101、温漂补偿电阻R 01 1021、温漂补偿电阻R 02 1022和灵敏度补偿电阻R s 103均为可调数字电阻，各可调数字电阻的阻值通过温度试验确定，并通过信号采集与控制模块中的可调电阻控制子模块设置；
信号采集与控制模块由放大器、A/D转换芯片、微处理器、网口组成；其中，微处理器具备放大器控制、可调电阻控制、数字滤波、数据传输功能；
对于数字可调电桥输出信号依次进行放大器放大、A/D转换芯片，然后送入微处理器处理。
进一步地，所述的S60的在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序，具体内容如下：
为实现对全桥半导体天平输出信号的数据采集、信号分析和温度补偿，在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序；
如图6所示，温度补偿信号调理程序的主函数对数字可调电桥模块和信号采集与控制模块进行初始化，然后根据工作人员命令进入配置模式或者工作模式；在配置模式下，更新FLASH中配置的数据，并依次完成放大器配置、可调电阻配置和数字滤波配置；在工作模式下，首先按照设定的频率从A/D转换芯片中进行数据采集，然后完成数字滤波和信号分析，并自动计算可调电阻阻值，根据预先设定的标准判断可调电阻阻值达标后结束温度补偿信号调理；否则，根据工作人员命令重新进入配置模式或者工作模式。
进一步地，为了改善数字可调电桥输出信号，数字可调电桥输出信号经放大器放大后再进行滤波，单路滤波模块采用二阶有源滤波电路，滤波截止频率根据采样频率确定。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，本发明公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10.加工全桥半导体应变计；
S20.计算全桥半导体应变计的零点温度漂移；
S30.建立全桥半导体应变计的数字可调电桥；
S40.进行全桥半导体天平的零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿；
S50.建立全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路；
S60.在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序。
2.根据权利要求1所述的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，所述的S10的加工全桥半导体应变计，具体内容如下：
全桥半导体应变计在单片基底上制作四个敏感电阻并组建惠斯顿电桥，四个敏感电阻的阻值分别为R 1 、R 2 、R 3 和R 4 ，四个端口为Uoa、Uob、Ui和地线；
理想情况下，四个敏感电阻的阻值相等，R 1 =R 2 =R 3 =R 4 ，对应的电阻温度系数也相等，α 1 =α 2 =α 3 =α 4 ；在温度作用下，全桥半导体应变计沿四周产生均匀的变形，四个敏感电阻变形相同，惠斯顿电桥始终保持平衡；
如果在全桥半导体应变计上施加载荷ε，导致阻R 1 、R 3 的阻值变小，而R 2 、R 4 的阻值变大，惠斯顿电桥失去平衡；但是，全桥半导体应变计输出电势差与应变的大小成比例；可见，全桥半导体应变计结构在理想情况下能够抑制零点温漂。
3.根据权利要求2所述的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，所述的S20的计算全桥半导体应变计的零点温度漂移，具体内容如下：
实际情况是，全桥半导体应变计的四个敏感电阻的阻值不相等，电阻温度系数也不相等，惠斯顿电桥出现零点温度漂移，四个敏感电阻的阻值分别为R 1 =（1+α 1 ΔT）R 0 ，R 2 =（1+α 2 Δ T）R 0 ，R 3 =（1+α 3 ΔT）R 0 ，R 4 =（1+α 4 ΔT）R 0 ，R 0 为零点补偿电阻；
零点温度漂移的温度输出表达式如下：
；
式中：U为电压，V；ΔT为温度差，℃。
4.根据权利要求3所述的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，所述的S30的建立全桥半导体应变计的数字可调电桥，具体内容如下：
进行高超声速风洞试验时，全桥半导体应变计处于温度梯度场中，四个敏感电阻的温度不相同，引起温度输出，影响全桥半导体应变计的精准度；半导体应变计的灵敏度随温度变化范围为-0.1℃~-0.3/℃；随着高超声速风洞试验段温度上升，半导体应变计的灵敏度下降；如果在高超声速风洞试验中使用半导体应变计，必须进行灵敏度温度补偿，建立全桥半导体应变计数字可调电桥；
全桥半导体应变计数字可调电桥在全桥半导体应变计的敏感电阻R 1 和敏感电阻R 4 之间串联零点补偿电阻R 0 （101），零点补偿电阻R 0 （101）的两端分别为Uoa 1 和Uoa 2 ；将敏感电阻R 1 替换为2个敏感电阻R 01 并联电路，敏感电阻R 2 替换为2个敏感电阻R 02 并联电路，定义位于R 1 位置的R 01 为温漂补偿电阻R 01 （1021），定义位于R 2 位置的R 02 为温漂补偿电阻R 02 （1022）；在Ui串联灵敏度补偿电阻R s （103），并顺序连接至Us。
5.根据权利要求4所述的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，所述的S40的进行全桥半导体天平的零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿，具体内容如下：
S41.在全桥半导体天平上预先设定的16个位置处粘贴全桥半导体应变计；
S42.在室温环境下对全桥半导体天平的各全桥半导体应变计进行初步的零点补偿；
S43.设置温控箱温度为60℃，再将全桥半导体天平放置在温控箱内烘烤0.5h；待全桥半导体天平信号输出稳定后，根据室温和温控箱温度下的各全桥半导体应变计的信号差量，分别进行零点补偿、温漂补偿和灵敏度补偿；
S44.将全桥半导体天平取出降温至室温，记录各全桥半导体应变计在降温前后的信号，直至各全桥半导体应变计的信号漂移小于1mV；
S45.对各全桥半导体应变计的温漂补偿电阻R 01 （1021）、温漂补偿电阻R 02 （1022）中的一个进行补偿，使得全桥半导体应变计的零点输出在1mV以内。
6.根据权利要求5所述的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，所述的S50的建立全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路，具体内容如下：
全桥半导体天平的温度补偿信号调理电路由数字可调电桥模块和信号采集与控制模块组成；数字可调电桥模块由16个数字可调电桥组成，每个数字可调电桥的零点补偿电阻R 0 （101）、温漂补偿电阻R 01 （1021）、温漂补偿电阻R 02 （1022）和灵敏度补偿电阻R s （103）均为可调数字电阻，各可调数字电阻的阻值通过温度试验确定，并通过信号采集与控制模块中的可调电阻控制子模块设置；
信号采集与控制模块由放大器、A/D转换芯片、微处理器、网口组成；其中，微处理器具备放大器控制、可调电阻控制、数字滤波、数据传输功能；
对于数字可调电桥输出信号依次进行放大器放大、A/D转换芯片，然后送入微处理器处理。
7.根据权利要求6所述的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，所述的S60的在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序，具体内容如下：
为实现对全桥半导体天平输出信号的数据采集、信号分析和温度补偿，在微处理器中烧录温度补偿信号调理程序；
温度补偿信号调理程序的主函数对数字可调电桥模块和信号采集与控制模块进行初始化，然后根据工作人员命令进入配置模式或者工作模式；在配置模式下，更新FLASH中配置的数据，并依次完成放大器配置、可调电阻配置和数字滤波配置；在工作模式下，首先按照设定的频率从A/D转换芯片中进行数据采集，然后完成数字滤波和信号分析，并自动计算可调电阻阻值，根据预先设定的标准判断可调电阻阻值达标后结束温度补偿信号调理；否则，根据工作人员命令重新进入配置模式或者工作模式。
8.根据权利要求6所述的用于全桥半导体天平的温度补偿信号调理方法，其特征在于，为了改善数字可调电桥输出信号，数字可调电桥输出信号经放大器放大后再进行滤波，单路滤波模块采用二阶有源滤波电路，滤波截止频率根据采样频率确定。
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