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