劉珂 張穎蕊 楊俊磊 董偉超

摘? 要：差壓傳感器在數(shù)據(jù)采集過程中常出現(xiàn)溫漂以及非線性問題，該文介紹了一種利用MSC1211單片機(jī)解決溫漂和進(jìn)行非線性校準(zhǔn)的原理及調(diào)試的方法，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高精度采集。傳感器采集的數(shù)據(jù)在處理前后進(jìn)行分析對比，表明采用的數(shù)據(jù)處理方案切實(shí)有效。

關(guān)鍵詞：溫度補(bǔ)償? 非線性校準(zhǔn)? 高精度? 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：TP2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0058-03

壓阻式傳感器在壓力傳感器中應(yīng)用廣泛。半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)為：半導(dǎo)體材料在某一方向上承受應(yīng)力時，它的電阻發(fā)生顯著變化，壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應(yīng)制成的。半導(dǎo)體材料的輸入特性經(jīng)常表現(xiàn)為一個非線性曲線，在測量量程的中間點(diǎn)附近的測量誤差最大。半導(dǎo)體材料的零位和滿量程輸出本身也存在偏差，并隨溫度變化輸出誤差不斷變化。為在工程應(yīng)用中達(dá)到高精度測量要求，采取一定的措施對傳感器的非線性誤差進(jìn)行修正、對溫度漂移誤差進(jìn)行補(bǔ)償十分必要。

1? 傳感器工作原理

差壓傳感器由內(nèi)置差壓傳感器和信號調(diào)理電路兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。內(nèi)置差壓傳感器采用硅壓阻效應(yīng)測量原理，由4個等值電阻按特定的配置組成惠斯通電橋，當(dāng)傳感器感受到外界壓差變化時，由于壓阻效應(yīng)使電橋橋臂阻值發(fā)生變化，在恒定電流的驅(qū)動下電橋輸出與被測壓力成正比的電信號。通過微處理器和溫度傳感器在-55℃～70℃全溫區(qū)范圍內(nèi)對傳感器輸出的零點(diǎn)、靈敏度溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，并將傳感器感應(yīng)到的壓力差轉(zhuǎn)換成與被測壓力成比例的電壓信號。然后再經(jīng)過放大、濾波處理輸出0.05VDC～4.96VDC電壓信號。

2? 非線性校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償解決方案

MSC1211系列是TI公司新推出的高集成度混合信號元器件，相比一般8051內(nèi)核單片機(jī)，它具有許多增強(qiáng)功能，具體有微弱信號的多路切換、信號緩沖、PGA可編程增益放大、24位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、信號校準(zhǔn)以及SPI通信等功能。MSC1211的程序功能中，溫度補(bǔ)償和非線性校準(zhǔn)是重要組成部分，其功能直接關(guān)系到差壓傳感器壓力測量的精度。

2.1 非線性校準(zhǔn)原理及方法

壓阻式傳感器普遍存一致性問題：由于工藝的關(guān)系，即使同一批生產(chǎn)的傳感器，其特性也會有較大的隨機(jī)性。為了保證足夠的精度，必須對每個傳感器進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。

擴(kuò)散硅差壓傳感器在某一溫度點(diǎn)下，理想的輸入輸出應(yīng)為線性關(guān)系，即：

式（1）中：

P為被測差壓值;

V為傳感器輸出的電信號;

K為傳感器靈敏度系數(shù);

v為傳感器零點(diǎn)失調(diào)。

但實(shí)際上傳感器的輸入輸出特性通常是非線性的，這就需要對其進(jìn)行修正，尤其是在精度要求較高的情況下更是如此。線性化的方法很多，如插值多項式、最小二乘法等。設(shè)計中采用了分段線性插值法，在滿足精度要求的同時，程序執(zhí)行速度更快。其原理是在允許的誤差范圍內(nèi)，用多段折線來逼近傳感器靜態(tài)特性曲線，如圖2線段AB、BC等所示。

插值點(diǎn)的確定，既可以在整個測量范圍平均分布，也可根據(jù)實(shí)際情況，非線性大的地方插值點(diǎn)密一些，反之可疏一些。一旦插值點(diǎn)確定后，據(jù)此即可得到N組測試數(shù)據(jù)V（i），P（i）（i=0，1，2，…，N-1），將其以表格的形式存入E2PROM中。當(dāng)單片機(jī)從A/D轉(zhuǎn)換器讀入一數(shù)據(jù)V時，首先通過查表可確定V所在的區(qū)間V（i）

若VV（N），則根據(jù)需要進(jìn)行線性外推。

2.2 溫度補(bǔ)償原理及方法

在-55℃～70℃溫度范圍內(nèi)，使輸出達(dá)到很好的溫度特性，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。選擇由溫度傳感器AD590和微處理器MSC1211組成的溫度校準(zhǔn)電路對差壓傳感器輸出進(jìn)行零點(diǎn)、靈敏度的溫度補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法通常采用無源網(wǎng)絡(luò)對傳感器的兩個端點(diǎn)（零點(diǎn)和滿量程）進(jìn)行補(bǔ)償，比較粗糙，補(bǔ)償精度較低。在實(shí)際中，采用二維線性差值法有效地克服了傳統(tǒng)方法的不足，補(bǔ)償精度大大提高。假設(shè)傳感器在每個溫度點(diǎn)的靜態(tài)特性都已線性化，則某溫度點(diǎn)未補(bǔ)償?shù)臏囟忍匦钥梢员硎緸椋?/p>

式（3）中：P為被測差壓值;

V（t）為傳感器在某溫度點(diǎn)輸出的電信號;

K為傳感器靈敏度系數(shù);

v（t）為傳感器靜態(tài)特性曲線在縱軸的截距，即由溫度引起的輸出增量。

給定m+1個溫度點(diǎn)，T（0），T（1），T（2），…，T（m），測出每個溫度點(diǎn)下傳感器靜態(tài)曲線與縱軸V的截距v（0），v（1），v（2），…，v（m），如圖3所示。

然后將上述數(shù)據(jù)以表格的形式存入E2PROM中。單片機(jī)每測出一組V和T，就查一次表，首先確定溫度T的區(qū)間T（i）

若TT（m），則根據(jù)需要進(jìn)行線性推導(dǎo)。最后根據(jù)式（3）求出。

經(jīng)過上述方法校準(zhǔn)、補(bǔ)償后，我們研制的壓力測量其壓力測量精度能達(dá)到0.3%，滿足功能需求。

2.3 調(diào)試方法及數(shù)據(jù)處理

差壓傳感器利用內(nèi)部的溫度傳感器AD590，將表征溫度的電壓信號送給內(nèi)部的ADC，實(shí)現(xiàn)溫度的測量。微處理器MSC1211通過模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取壓力及溫度信息并根據(jù)插值法對傳感器輸出分別進(jìn)行溫度校準(zhǔn)并換算出當(dāng)前壓力差，根據(jù)溫度值進(jìn)行查表，將得到預(yù)先標(biāo)定好的溫度補(bǔ)償系數(shù)，該系數(shù)線性分段，用于控制零位和滿量程的輸出。

MSC1211上電復(fù)位以后，首先利用溫度傳感器采樣溫度值，然后從外部E2PROM的列表中查找相應(yīng)的溫度補(bǔ)償系數(shù)，讀取零點(diǎn)和靈敏度系數(shù)后，再進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償，然后根據(jù)量程范圍進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前壓力。插值法補(bǔ)償結(jié)果見表2。

傳感器理論輸出直線方程：U=0.05+0.0491P，見表1。

其中：P為輸入壓力;U為輸出信號。

低溫-55℃時，對比補(bǔ)償前后的曲線見表3、圖4。

高溫70℃時，對比補(bǔ)償前后的曲線見表4、圖5。

表2記錄了某型差壓傳感器在-55℃～70℃范圍內(nèi)做溫度補(bǔ)償前后的兩個壓力標(biāo)定點(diǎn)（5kPa和90kPa）的產(chǎn)品輸出，圖4和圖5表明經(jīng)過溫度補(bǔ)償后傳感器輸出精度較之前有了明顯提高。

3? 結(jié)語

差壓傳感器是將壓力信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電信號輸出，其溫漂和非線性特性作為壓力傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)，反映出產(chǎn)品的輸出特性。通過MSC1211單片機(jī)和溫度傳感器AD590的結(jié)合，有效地解決了在高低溫環(huán)境的溫漂和非線性較大的問題，保證了數(shù)據(jù)輸出的高精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱定國，楊世均，林燕珊.航空測試系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.

[2] 王化祥.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2005.

[3] MSC1211 Users Guide[Z].Texas Instruments，2002.

[4] MSC1211 ROM Routines[Z].Texas Instruments，2002.

[5] 胡永建，王曉梅.基于MSC1210的多路高精度溫度采集系統(tǒng)模塊[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2003（7）：36-39.

[6] 趙勇，王琦.傳感器敏感材料及器件[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012，8.