周志煒， 鄧天雨， 師 亮， 陳寶成， 張 蒙， 姜 超

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028; 2.中國航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，江蘇 無錫 214000)

0 引 言

硅壓阻式壓力傳感器因其靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、軍事、航空航天、國防、氣象、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1～3]。因此，對壓力傳感器的精度及長期穩(wěn)定性提出更高的要求。由于半導(dǎo)體的材料特性，外界環(huán)境因素會(huì)引起壓敏電阻特性和壓阻特性變化[4～6]，從而引起較大的零點(diǎn)、滿量程漂移和非線性改變的情況[7～9]，導(dǎo)致傳感器的工作精度誤差增大，因此需要對其零點(diǎn)、滿量程以及多點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。目前，常用的校準(zhǔn)方法有電路硬件校準(zhǔn)和軟件校準(zhǔn)，電路硬件前期校準(zhǔn)復(fù)雜且調(diào)試?yán)щy，不適合工程化。軟件后期校準(zhǔn)一般有曲面擬合[10]、多次擬合方法[11]和數(shù)學(xué)模型[12]等，對改善精度有較好的效果。

本文根據(jù)壓力敏感芯體的原始輸出信號，提出一種通過采集電路的數(shù)字濾波技術(shù)與曲線擬合溫度補(bǔ)償技術(shù)相結(jié)合的方法，彌補(bǔ)傳感器性能不足，提高其全維度范圍的準(zhǔn)確度、可靠性。并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法有效地提高了傳感器測量精度，具備工程操作性，可在航天等壓力傳感器領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器組成

傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓力敏感芯體擬采用硅壓阻式[13，14]原理研制，基片選擇采用絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)結(jié)構(gòu)硅片，采用附溫傳感器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)傳感器環(huán)境溫度參數(shù)測量。采用高精度A/D電路實(shí)現(xiàn)壓力和溫度信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過微處理器實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的數(shù)據(jù)接收、處理和輸出，并針對硅壓力傳感器的溫度特性、時(shí)間漂移特性和靈敏度的非線性建立數(shù)字?jǐn)M合數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行壓力傳感器溫度和非線性的智能化補(bǔ)償修正，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器在全溫區(qū)的測量精度，得到高精度的壓力數(shù)據(jù)輸出。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

1.2 信號處理單元設(shè)計(jì)

如圖2所示，測溫電橋與壓力調(diào)理電路檢測轉(zhuǎn)換出的溫度、壓力模擬信號輸送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，由其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在輸送至微處理器。在微處理器中，經(jīng)過數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償、壓力值擬合計(jì)算后，由輸入輸出接口(USB)輸送至上位機(jī)。

圖2 壓力轉(zhuǎn)換調(diào)理電路

本文采用的微處理器是STM32F103CBT6，利用其高性能運(yùn)算能力和高集成度，可提高數(shù)據(jù)處理能力以及結(jié)構(gòu)的小型化。在強(qiáng)干擾環(huán)境中，微控制器容易死機(jī)、程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)，在系統(tǒng)上電或欠壓條件下，數(shù)字電路部件容易出現(xiàn)不確定狀態(tài)，造成意外動(dòng)作。本文采用看門狗與電源監(jiān)控器解決這些問題，可大大提高傳感器的抗干擾能力與可靠性。為了節(jié)省微處理器接口資源、降低成本、提高自身的可靠性，采用了集成復(fù)位電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)看門狗定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控、上電復(fù)位等功能，很好地解決了這些問題。

1.3 壓力信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

硅壓阻傳感器是通過壓力敏感芯體將壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再通過調(diào)理電路將這個(gè)信號調(diào)理成滿足使用需求的電信號。為滿足±0.1 %FS的精度指標(biāo)要求，本文采用24位AD芯片。如圖2為壓力轉(zhuǎn)換調(diào)理電路設(shè)計(jì)，其中包括電路輸入輸出保護(hù)、濾波、供電、放大等部分，各部分分別完成了電路的內(nèi)外保護(hù)、干擾的濾除、壓力敏感元件供電及輸出信號放大等功能。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于數(shù)字電路部分模/數(shù)(A/D)等信號切換產(chǎn)生數(shù)字噪聲，同時(shí)模擬電路部分的噪聲信號通過電源耦合到數(shù)字電路中來，使噪聲信號變得復(fù)雜，噪聲信號使得采樣結(jié)果產(chǎn)生誤差，同時(shí)還要考慮使用環(huán)境及其他噪聲信號的疊加和干擾。因此，在高精度測量系統(tǒng)中，去除噪聲信號對提高系統(tǒng)精度有重要意義，采取適當(dāng)?shù)氖侄我员ＷCA/D轉(zhuǎn)換精度。主要從軟、硬件兩方面考慮：硬件電路方面增加模擬和數(shù)字電路的電源隔離并根據(jù)實(shí)際信號情況設(shè)置合理的帶通濾波電路，在軟件上根據(jù)測量要求采用適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波技術(shù)濾除噪聲信號。以改善噪聲干擾，提高測試總精度。

1.4 壓力傳感器控制電路設(shè)計(jì)

微處理器初始化后，經(jīng)模式選擇，確定工作模式：1)傳感器壓力測量模式下，微處理器STM32F103CBT6與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片之間通過SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，定時(shí)讀取壓力和溫度的數(shù)字信號，經(jīng)過量程劃分和溫度補(bǔ)償，進(jìn)行USB總線數(shù)字通信。2)傳感器在線校準(zhǔn)模式下，傳感器和上位機(jī)通過USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，針對上位機(jī)不同命令，進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)的上傳、下載以及存儲。

1.5 壓力溫度曲線補(bǔ)償

傳感器無補(bǔ)償?shù)妮敵鲈诤艽蟪潭壬先Q于溫度和壓力。如圖3的表面向右下傾的實(shí)情表示溫度升高時(shí)，傳感器對壓力變得不太敏感，在固定溫度下，傳感器對壓力的響應(yīng)也呈輕微的非線性。為此，建立對應(yīng)的三維曲面數(shù)學(xué)模型，通過算法來模擬補(bǔ)償原傳感器數(shù)據(jù)中，隨溫度變化的誤差及非線性度。

圖3 溫度壓力三維數(shù)據(jù)曲面

由于線性擬合算法只適用于靜態(tài)特性曲線為直線的情況，當(dāng)特性曲線的數(shù)據(jù)為曲線，即擬合方程為高階多項(xiàng)式方程時(shí)，線性擬合法并不適用，這時(shí)把線性擬合算法加以推廣，采用分段線性擬合算法來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的跟蹤。分段線性擬合算法的思想與線性擬合算法基本相同，都是利用歷史數(shù)據(jù)擬合直線方程；與線性擬合法最大的區(qū)別在于，它的曲線的參數(shù)不是固定的，而每個(gè)多項(xiàng)式常數(shù)，都是單獨(dú)溫度不斷更新擬合的曲線多項(xiàng)式計(jì)算結(jié)果。傳感器壓力值計(jì)算高階多項(xiàng)式擬合曲線方程如下

Y=a1tXn+a2tXn-1+,…,+ant

(1)

式中Y為傳感器的壓力計(jì)算值；X為傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的壓力采集值；a0t,a1t,…,ant為多項(xiàng)式常數(shù)，不是簡單的固定值，是溫度T的函數(shù)。在標(biāo)定過程中，axt(T)(x=0,1,…,n)的表達(dá)式如下

axt=b0xTm+b1xTm-1+…+bmx(x=0，1,…,n)

(2)

式中T為傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的溫度采集值；b0x,b1x,…,bmx為以axt為函數(shù)值，對多個(gè)溫度點(diǎn)的溫度采集值進(jìn)行曲線擬合后，得出的擬合多項(xiàng)式常數(shù)，擬合原則依然是使殘差平方和最小。

當(dāng)傳感器進(jìn)行壓力測量時(shí)，首先采集當(dāng)前環(huán)境溫度AD采集值，將其代入式(2)中，得出一系列當(dāng)前溫度下對應(yīng)的常數(shù)值a0t,a1t,…,ant，再將壓力AD采集值代入式(1)中，求得當(dāng)前壓力測量值。針對本文提出的±0.1 %FS的精度要求，采用曲線擬合算法，傳感器的最終精度取決于壓力敏感芯體的重復(fù)性和遲滯，以及分段與多項(xiàng)式階數(shù)。

2 現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 校準(zhǔn)總體設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)總體工作流程如圖4所示。在現(xiàn)場工作環(huán)境下，采用標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)，同時(shí)利用動(dòng)態(tài)采集儀器采集標(biāo)準(zhǔn)壓力值和傳感器輸出壓力值，經(jīng)過計(jì)算，評估傳感器的誤差、線性等基本參數(shù)。標(biāo)定重復(fù)的次數(shù)應(yīng)不少于3次，標(biāo)定過程中應(yīng)平穩(wěn)升壓或降壓，避免出現(xiàn)超調(diào)或回調(diào)。傳感器上電后，首先檢測上位機(jī)信號，以確定工作模式是校準(zhǔn)模式還是測量模式。測量模式由A/D芯片將芯體輸出信號采集輸入微處理器，結(jié)合溫度檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字溫度補(bǔ)償，輸出壓力值。校準(zhǔn)模式則需要根據(jù)上位機(jī)控制信號，將對應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)上傳，并接收上位機(jī)輸入的校準(zhǔn)參數(shù)。

圖4 在線校準(zhǔn)標(biāo)定流程

2.2 傳感器校準(zhǔn)工作模式設(shè)計(jì)

工作在校準(zhǔn)模式時(shí)，根據(jù)上位機(jī)的輸入信號，傳感器具有多種校準(zhǔn)函數(shù)，均可同上位機(jī)進(jìn)行收發(fā)通信，完成不同的校準(zhǔn)工作任務(wù)。完成上述校準(zhǔn)函數(shù)的工作后，傳感器會(huì)接收上位機(jī)的重置信號，重置補(bǔ)償擬合曲線多項(xiàng)式的各項(xiàng)參數(shù)，完成校準(zhǔn)工作。如圖5所示，對傳感器零點(diǎn)、靈敏度以及壓力開關(guān)動(dòng)作壓力的校準(zhǔn)，是通過調(diào)整校準(zhǔn)方程f(PAD)和開關(guān)壓力閾值P0±ΔP來實(shí)現(xiàn)。

圖5 校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)流程

傳感器微處理器內(nèi)部對A/D芯片采集輸入的數(shù)據(jù)PAD和TAD，以多項(xiàng)式擬合的方式進(jìn)行補(bǔ)償修正，PAD為壓力的AD檢測值，TAD為溫度的AD檢測值，公式如下

(3)

以上各參數(shù)是在傳感器出廠標(biāo)定過程中，綜合當(dāng)時(shí)的PAD和TAD擬合計(jì)算而得到，當(dāng)傳感器發(fā)生零點(diǎn)或靈敏度漂移，需要校準(zhǔn)時(shí)，無需再次進(jìn)行各參數(shù)的具體標(biāo)定，只需要在f(PAD)的基礎(chǔ)上，對輸出直線的截距和斜率進(jìn)行調(diào)整即可。具體到傳感器的輸出曲線變化，如圖6所示。

圖6 傳感器的輸出曲線

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 芯體測試

將40 kPa壓力芯體放入高精度溫箱中，設(shè)置對應(yīng)的溫度點(diǎn)，使用高精度壓力儀(德魯克PACE5000)對芯體進(jìn)行加壓測試，測得芯體在不同溫度下輸出值，進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線擬合。

由圖7可知，在恒定不同溫度下，加載壓力芯體輸出電壓值呈現(xiàn)出良好的線性度。不同溫度之間，壓力芯體的零點(diǎn)輸出電壓值隨著溫度的升高，輸出值明顯增加，通過對3條正行程多項(xiàng)擬合得到的線性度為99.8 %。同時(shí),對比正反行程的誤差可以發(fā)現(xiàn)25 ℃的重復(fù)性為最佳，對3個(gè)溫度進(jìn)行重復(fù)性計(jì)算，得出重復(fù)性均在0.8 %以下，說明芯體在高溫或者低溫都有著良好的重復(fù)性。

圖7 不同溫度下芯體原始輸出

3.2 傳感器測試

將智能算法和誤差數(shù)學(xué)模型寫進(jìn)微處理器中，微處理器對采集的數(shù)據(jù)在上位機(jī)能實(shí)時(shí)進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集。為驗(yàn)證數(shù)據(jù)算法的有效性和在線校準(zhǔn)的功能，對傳感器進(jìn)行測試。測試方法跟測試芯體步驟相同，測試結(jié)果如表1。

表1 不同溫度下的傳感器輸出值

由表1可知，傳感器經(jīng)過智能溫度補(bǔ)償算法和誤差數(shù)學(xué)模型后能精確的輸出壓力數(shù)值，補(bǔ)償后的壓力變送器具有良好的測量的精度，在-20～80 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，測量平均誤差在±0.02 %FS以內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文采用基于STM32F103CBT6的高精度采集電路，提升了壓力芯體的初始測量精度。通過數(shù)字濾波技術(shù)，以改善噪聲干擾，提高測試變送器的精度。通過溫度壓力曲線擬合算法，實(shí)現(xiàn)全溫區(qū)溫度補(bǔ)償。在-20～80 ℃溫度范圍內(nèi),變送器輸出誤差在±0.02 % FS 以內(nèi)。本文設(shè)計(jì)的在線校準(zhǔn)方法提升了傳統(tǒng)壓力變送器的精度，同時(shí)本文設(shè)計(jì)的硬件電路可規(guī)范化，操作方便，工程應(yīng)用背景廣泛。