CN117606669A - 一种压力传感器的多点温度补偿方法 - Google Patents

一种压力传感器的多点温度补偿方法 Download PDF

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宋伟冬
贺星宇
李鹏飞
李金松
张嘉宁
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation

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Abstract

本发明公开了一种压力传感器的多点温度补偿方法。通过插值法和遍历法实现对温度漂移实时补偿，并且依据反馈，非线性调节模块将输出电压反馈到输入端，重新作为感压部件的激励源，补偿感压部件的非线性误差。本发明解决了感压部件温度漂移和非线性问题。

Description

一种压力传感器的多点温度补偿方法
技术领域
本发明属于航空压力传感器信号处理算法技术领域，具体涉及一种压力传感器的多点温度补偿方法。
背景技术
针对信号处理器，国内外的数字校准系统能够起到对信号处理器的评估作用，但容易出现以下的问题：
国外的标定过程中无法得知标定结果，需要全部标定完成后进行测试，数据如果不合格需要对全部温度点进行重新标定；
国外的校准系统存在死机、标定数据写入乱码的情况，需要重新标定，非常耗时。
国内的操作繁复，失败率较高，仍存在很多不足。
发明内容
本发明的目的是：提供了一种压力传感器的多点温度补偿方法。本发明解决了感压部件温度漂移和非线性问题。
本发明的技术方案是：一种压力传感器的多点温度补偿方法，通过插值法和遍历法实现对温度漂移实时补偿，并且依据反馈，非线性调节模块将输出电压反馈到输入端，重新作为感压部件的激励源，补偿感压部件的非线性误差。
前述的压力传感器的多点温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤一：将零点压力P1时的输出目标电压VZERO，满点压力P2时的输出目标电压VFSD经U/I转换后得到输出目标电流IZERO和IFSD；
步骤二：设有温度集合T∈{Ti|i＝1,2...,n},Tmin＜Ti＜Tmax，Tmin为压力传感器最低工作温度，Tmax为压力传感器最高工作温度；
采集温度T1下的零点压力P1、满点压力P2；其中零点压力P1为标准大气压下的压力，满点压力P2为压力量程内的最大压力；
步骤三：在理想线性的情况下，采集零点压力P1的压力传感器芯片的输出电压Vout1，满点压力P2的压力传感器芯片的输出电压Vout2；
步骤四：在满点压力P2下，根据Ag，通过遍历法得到GO·GI大于Ag的最小值(GO·GI)min，通过下式
得到GD，后续(GO·GI)min不再重新计算，通过遍历法微调GD使得Vout输出满足要求；
步骤五：在零点压力P1下，根据下述公式计算VZero-DAC
步骤六：计算P1时实际的V′ZERO，P2时实际的V′FSD；
V′ZERO＝VZero-DAC·GD·GO
V′FSD＝(VIN+Vcoarse-Offset)·GI·GD·GO+VZero-DAC·GD·GO；
步骤七：采集时的/>因此压力作用下的非线性参数BV为
步骤八：引入非线性补偿计算KLIN；
步骤九：利用步骤八得到的KLIN，计算得到温度集合T中其他温度Ti下的、经非线性补偿后的Vout；
步骤十：采用插值法填充温度集合T内相邻两温度采集点Ti、Ti-1间的GD和VZero-DAC，保证整个温度区间均为线性输出。
前述的压力传感器的多点温度补偿方法中，步骤一中，IZERO和IFSD对应输出电流4mA和20mA。
前述的压力传感器的多点温度补偿方法中，步骤三中，所述的理想线性的情况为，线性系数KLIN＝0。
前述的压力传感器的多点温度补偿方法中，步骤三中，Vout1、Vout2由下式计算：
其中：VIN为压力传感器中感压部件的输出电压，为压力传感器中感压部件的最大输出电压，/>为压力传感器中感压部件的最小输出电压，VCoarse-Offset为偏置电压，GI为一级输入增益，VZero-DAC为零点偏置电压，GD为二级输入增益，GO为输出增益，VREF为参考电压，KEXC为激励系数。
前述的压力传感器的多点温度补偿方法中，步骤三中，VCoarse-Offset＝0；GI预设值为最小的放大倍数A1，VZero-DAC预设值为最小的电压值Vmin；GD在(0.3333，1)范围内，初始为系数α，GO预设值为最小的放大倍数A2；则：
因此可以得到零点压力P1时感压部件的输出电压和满点压力P2时感压部件的输出电压/>其电压跨度Sp为
又因为目标电压VZERO与目标电压VFSD的跨度Spg为
Spg＝VFSD-VZERO
则目标电压的跨度Spg相对于采集得到的电压跨度Sp的放大倍数Ag为
前述的压力传感器的多点温度补偿方法中，步骤八中，
前述的压力传感器的多点温度补偿方法中，步骤八中，VREF选择的参数为4.096V，KEXC选择的参数为0.83。
前述的压力传感器的多点温度补偿方法中，步骤九的计算过程如下：
采集温度Ti下零点压力P1的压力传感器芯片的输出电压V′out1，满点压力P2的压力传感器芯片的输出电压V′out2；其电压跨度S′p为
S′p＝V′out2-V′out1
又因为目标电压VZERO与目标电压VFSD的跨度Spg为
Spg＝VFSD-VZERO
则目标电压的跨度Spg相对于采集得到的电压跨度Sp的放大倍数A(Ti)g为
在满点压力P2下，根据A′g，通过下式
得到GD′；
在零点压力P1下，根据下述公式计算V′Zero-DAC
VZero-DAC(i)＝V′out1/(GD′·GO)
将GD′、VZero-DAC(i)、KLIN代入下式得到非线性补偿后的Vout：
当不满足条件Vout(1-β)＜Vout＜Vout(1+β)时，将该Vout对应的GD′和VZero-DAC(i)剔除，β为Vout输出要求的精度。
本发明的优点是：
本发明是基于压力传感器的多点温度补偿算法，该算法处理了感压部件温度漂移和非线性问题，其中通过插值法和遍历法实现了对温度漂移实时补偿，并且依据反馈，非线性调节模块将输出电压反馈到输入端，重新作为感压部件的激励源，补偿感压部件的非线性误差。
本发明是基于压力传感器的多点温度补偿算法，利用完成标定的温度/压力数据，将温度分为多段，构建了一组零点和量程随温度变化的系数，通过对不同温度点的采集，在系数中找到相应温度段的零点和量程，进而控制零位和满量程的输出，调节零点偏置电压和二级输入增益，达到温补效果；
本发明依据反馈，通过非线性调节模块将的输出电压反馈到输入端，重新作为感压部件的激励源，补偿感压部件的非线性误差。
本发明相比于仅有仪表运放和滤波放大电路构成的模拟输出产品，功能单一，不具有非线性补偿和温度补偿功能，且产品输出方程不统一，使用不便利；将本发明压力传感器的多点温度补偿算法应用于数字校准系统中，可实现非线性补偿和温度补偿功能，且实现不同传感器产品输出方程同一化，满足其在使用中的互换性要求；
本发明相比于由放大滤波电路和单片机组成的其他数字式产品，虽然可以实现传感器的温度误差和非线性误差补偿，但不能对感压部件进行精确的数字零位调节，其精度无法达到高精度的要求，或成本消耗太大。
本发明压力传感器的多点温度补偿算法应用于数字校准系统中，可实现快速、高效、高精度的校准。通过实时反馈修正感压部件的温度漂移误差及非线性误差，使得在经U/I转换后得到输出目标电流的精度由1％ FS提高到0.06％FS。
具体实施方式
下面结合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。一种压力传感器的多点温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤一：将零点压力P1时的输出目标电压VZERO，满点压力P2时的输出目标电压VFSD经U/I转换后得到输出目标电流IZERO和IFSD；
步骤二：设有温度集合T∈{Ti|i＝1,2...,n},Tmin＜Ti＜Tmax，Tmin为压力传感器最低工作温度，Tmax为压力传感器最高工作温度；
采集温度T1下的零点压力P1、满点压力P2；其中零点压力P1为标准大气压下的压力，满点压力P2为压力量程内的最大压力；
步骤三：在理想线性的情况下，采集零点压力P1的压力传感器芯片的输出电压Vout1，满点压力P2的压力传感器芯片的输出电压Vout2；
步骤四：在满点压力P2下，根据Ag，通过遍历法得到GO·GI大于Ag的最小值(GO·GI)min，通过下式
得到GD，后续(GO·GI)min不再重新计算，通过遍历法微调GD使得Vout输出满足要求；
步骤五：在零点压力P1下，根据下述公式计算VZero-DAC
步骤六：计算P1时实际的V′ZERO，P2时实际的V′FSD；
V′ZERO＝VZero-DAC·GD·GO
V′FSD＝(VIN+VCoarse-Offset)·GI·GD·GO+VZero-DAC·GD·GO；
步骤七：采集时的/>因此压力作用下的非线性参数BV为
步骤八：考虑到感压部件的线性问题，引入非线性补偿，计算KLIN；
步骤九：利用步骤八得到的KLIN，计算得到温度集合T中其他温度Ti下的、经非线性补偿后的Vout；
步骤十：采用插值法填充温度集合T内相邻两温度采集点Ti、Ti-1间的GD和VZero-DAC，保证整个温度区间均为线性输出。
步骤一中，IZERO和IFSD对应输出电流4mA和20mA。
步骤三中，所述的理想线性的情况为，线性系数KLIN＝0。
步骤三中，Vout1、Vout2由下式计算：
其中：VIN为压力传感器中感压部件的输出电压(mV)，为压力传感器中感压部件的最大输出电压(mV)，/>为压力传感器中感压部件的最小输出电压(mV)，VCoarse-Offset为偏置电压(mV)，GI为一级输入增益，VZero-DAC为零点偏置电压(mV)，GD为二级输入增益，GO为输出增益，VREF为参考电压，KEXC为激励系数。
步骤三中，VCoarse-Offset在感压部件的输出电压在-4.25mV～4.25mV时为零，通常感压部件的输出电压在-2mV～2mV，因此VCoarse-Offset＝0；GI预设值为最小的放大倍数A1，VZero-DAC预设值为最小的电压值Vmin；GD在(0.3333，1)范围内，初始为系数α，GO预设值为最小的放大倍数A2；则：
因此可以得到零点压力P1时感压部件的输出电压和满点压力P2时感压部件的输出电压/>其电压跨度Sp为
又因为目标电压VZERO与目标电压VFSD的跨度Spg为
Spg＝VFSD-VZERO
则目标电压的跨度Spg相对于采集得到的电压跨度Sp的放大倍数Ag为
步骤八中，
步骤八中，VREF选择的参数为4.096V，KEXC选择的参数为0.83。
步骤九的计算过程如下：
采集温度Ti下零点压力P1的压力传感器芯片的输出电压V′out1，满点压力P2的压力传感器芯片的输出电压V′out2；其电压跨度S′p为
Sp＝Vout2-Vout1
又因为目标电压VZERO与目标电压VFSD的跨度Spg为
Spg＝VFSD-VZERO
则目标电压的跨度Spg相对于采集得到的电压跨度Sp的放大倍数A(Ti)g为
在满点压力P2下，根据A′g，通过下式
得到GD′；
在零点压力P1下，根据下述公式计算V′Zero-DAC
VZero-DAC(i)＝V′out1/(GD′·GO)
将GD′、VZero-DAC(i)、KLIN代入下式得到非线性补偿后的Vout：
当不满足条件Vout(1-β)＜Vout＜Vout(1+β)时，将该Vout对应的GD′和VZero-DAC(i)剔除，β为Vout输出要求的精度。
实施例2。一种压力传感器的多点温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤一：将零点压力0MPa时的输出目标电压0.4V，满点压力2.5MPa时的输出目标电压2V经U/I转换后得到输出目标电流4mA和20mA；
步骤二：设有温度集合T∈{Ti|i＝1，2...，n}，-55℃＜Ti＜125℃，-55℃为压力传感器最低工作温度，125℃为压力传感器最高工作温度；
采集温度25℃下的零点压力0MPa、满点压力0.4V；
步骤三：在理想线性的情况下，即(线性系数KLIN＝0时)，采集零点压力0MPa的压力传感器芯片的输出电压2.501V，满点压力2.5MPa的压力传感器芯片的输出电压2.608V，Vout的公式见下式：
由于VCoarse-Offset＝0；GI预设值为最小的放大倍数4，VZero-DAC＝1.87V；GD在(0.3333，1)范围内，初始为系数0.668，GO预设值为最小的放大倍数2；因此
可以得到零点压力0MPa时感压部件的输出电压和满点压力2.5MPa时感压部件的输出电压/>其电压跨度Sp为
又因为目标电压VZERO与目标电压VFSD的跨度Spg为
Spg＝VFSD-VZERO＝2-0.4＝1.6V
则目标电压的跨度Spg相对于采集得到的电压跨度Sp的放大倍数Ag为
步骤四：在满点压力P2下，根据Ag，通过遍历法得到GI·GO大于Ag的最小值(G0·GI)min＝23.27×3.6＝83.772，通过下式得到GD＝0.953827；
步骤五：在零点压力0MPa下，根据下述公式计算VZero-DAC
步骤六：计算0MPa时实际的V′ZERO，2.5MPa时实际的V′FSD；
V′ZERO＝VZero-DAC·GD·GO＝0.400000V
V′FSD＝VIN·GI·GD·GO+VZero-DAC·GD·GO＝2.039949V
当不满足条件Vout(1-0.3％)＜Vout＜Vout(1+0.3％)时，将该Vout对应的GD(i)和VZero-DAC(i)剔除；在GD的基础上，遍历GD-0.1＜GD′＜GD+0.1，步长为0.0005，得到最佳的GD′值
GD′＝0.93091
V′ZERO＝VZero-DAC·GD′·GO＝0.400000V
步骤七：采集时的/>因此压力作用下的非线性参数BV为
步骤八：考虑到感压部件的线性问题，引入非线性补偿，VREF选择的参数为4.096V，KEXC选择的参数为0.83，则有
步骤八：利用步骤七得到的KLIN，计算得到-55℃、0℃、25℃、70℃、125℃、经非线性补偿后的Vout经U/I转换后得到IZERO和IFSD，详见表1。
表1感压部件补偿后的输出
表1中列出了压力点和压力点下对应的输出，通过该算法后，在多个温度点下实际的输出电流，其精度代表某某温度下、同一压力点时实际输出与理论输出的差值相比于理论输出的百分比，根据表1，其在25℃时，可达0.06％FS的精度。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，通过插值法和遍历法实现对温度漂移实时补偿，并且依据反馈，非线性调节模块将输出电压反馈到输入端，重新作为感压部件的激励源，补偿感压部件的非线性误差。
2.根据权利要求1所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将零点压力P1时的输出目标电压VZERO，满点压力P2时的输出目标电压VFSD经U/I转换后得到输出目标电流IZERO和IFSD；
步骤二：设有温度集合T∈{Ti|i＝1,2...,n},Tmin＜Ti＜Tmax，Tmin为压力传感器最低工作温度，Tmax为压力传感器最高工作温度；
采集温度T1下的零点压力P1、满点压力P2；其中零点压力P1为标准大气压下的压力，满点压力P2为压力量程内的最大压力；
步骤三：在理想线性的情况下，采集零点压力P1的压力传感器芯片的输出电压Vout1，满点压力P2的压力传感器芯片的输出电压Vout2；
步骤四：在满点压力P2下，根据Ag，通过遍历法得到GO·GI大于Ag的最小值(GO·GI)min，通过下式
得到GD，后续(GO·GI)min不再重新计算，通过遍历法微调GD使得Vout输出满足要求；
步骤五：在零点压力P1下，根据下述公式计算VZero-DAC
步骤六：计算P1时实际的V′ZERO，P2时实际的V′FSD；
V′ZERO＝VZero-DAC·GD·GO
V′FSD＝(VIN+VCoarse-Offset)·GI·GD·GO+VZero-DAC·GD·GO；
步骤七：采集时的/>因此压力作用下的非线性参数BV为
步骤八：引入非线性补偿计算KLIN；
步骤九：利用步骤八得到的KLIN，计算得到温度集合T中其他温度Ti下的、经非线性补偿后的Vout；
步骤十：采用插值法填充温度集合T内相邻两温度采集点Ti、Ti-1间的GD和VZero-DAC，保证整个温度区间均为线性输出。
3.根据权利要求2所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，步骤一中，IZERO和IFSD对应输出电流4mA和20mA。
4.根据权利要求2所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，步骤三中，所述的理想线性的情况为，线性系数KLIN＝0。
5.根据权利要求2所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，步骤三中，Vout1、Vout2由下式计算：
其中：VIN为压力传感器中感压部件的输出电压，为压力传感器中感压部件的最大输出电压，/>为压力传感器中感压部件的最小输出电压，VCoarse-Offset为偏置电压，GI为一级输入增益，VZero-DAC为零点偏置电压，GD为二级输入增益，GO为输出增益，VREF为参考电压，KEXC为激励系数。
6.根据权利要求5所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，步骤三中，VCoarse-Offset＝0；GI预设值为最小的放大倍数A1，VZreo-DAC预设值为最小的电压值Vmin；GD在(0.3333，1)范围内，初始为系数α，GO预设值为最小的放大倍数A2；则：
因此可以得到零点压力P1时感压部件的输出电压和满点压力P2时感压部件的输出电压/>其电压跨度Sp为
又因为目标电压VZERO与目标电压VFSD的跨度Spg为
Spg＝VFSD-VZERO
则目标电压的跨度Spg相对于采集得到的电压跨度Sp的放大倍数Ag为
7.根据权利要求5所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，步骤八中，
8.根据权利要求7所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，步骤八中，VREF选择的参数为4.096V，KEXC选择的参数为0.83。
9.根据权利要求1所述的压力传感器的多点温度补偿方法，其特征在于，步骤九的计算过程如下：
采集温度Ti下零点压力P1的压力传感器芯片的输出电压V′out1，满点压力P2的压力传感器芯片的输出电压V′out2；其电压跨度S′p为
S′p＝V′out2-V′out1
又因为目标电压VZERO与目标电压VFSD的跨度Spg为
Spg＝VFSD-VZERO
则目标电压的跨度Spg相对于采集得到的电压跨度Sp的放大倍数A(Ti)g为
在满点压力P2下，根据A′g，通过下式
得到GD′；
在零点压力P1下，根据下述公式计算V′Zero-DAC
VZero-DAC(i)＝V′out1/(GD′·GO)将GD′、VZero-DAC(i)、KLIN代入下式得到非线性补偿后的Vout：
当不满足条件Vout(1-β)＜Vout＜Vout(1+β)时，将该Vout对应的GD′和VZero-DAC(i)剔除，β为Vout输出要求的精度。
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