零點漂移的補償方法在壓力傳感器中的使用

吉世成

摘 要：目前各行業應用的多數壓力變送器是利用壓阻式擴散硅壓力傳感器作為信號的傳送環節。但由于技術等多方面限制的原因，壓阻式壓力傳感器易受現場溫度變化的影響，從而產生零點漂移。文章針對此問題進行了探討。

關鍵詞：壓力變送器；零點漂移；補償

變送器作為重要的基礎自動化儀表被廣泛應用于工業現場的傳送與檢測過程。從目前各個國家的研究情況及市場需求來看，壓力傳感器的發展主要集中在以下幾個方面：（1）著重研發適用于高溫作業的壓力傳感器：這類傳感器以新型半導體材料為膜片的壓阻式壓力傳感器為代表；（2）以微機械加工為特點的壓力傳感器得以發展：這一類壓力傳感器有著較高的線性度，通常制作成微型、甚至是超微型傳感器并廣泛應用于醫學領域的器官數據采集中；（3）以熱零點漂移為代表的補償問題受到關注：在傳感器的應用過程中，一直存在傳感器的線性度等受到溫度影響而發生漂移的問題。未來的傳感器發展的趨勢必定是朝著“五化”前進，即小型化、集成化、智能化、系列化、標準化。

1 工作特性及其零點漂移

1.1 靜態特性指標

壓力傳感器主要有以下幾種靜態性能指標：（1）靜態靈敏度。傳感器被測量的單位變化量引起的輸出變化量稱為靜態靈敏度，是重要的性能指標。它可根據傳感器的測量范圍、抗干擾能力等進行選擇：特別是對傳感器的敏感元件，其靈敏度的選擇尤為關鍵；（2）線性度。理論上來說，傳感器的靜態特性是一條直線。但實際上，由于種種原因傳感器的實測輸入/輸出關系并不是一條直線。因此傳感器實際的靜態特性的校準特性曲線與某一參考直線不吻合程度的最大值就是線性度；（3）零點漂移。當傳感器的輸入和環境溫度不變時，輸出量隨時間變化的現象就是漂移。它是由于傳感器內部各個環節性能不穩定，或內部溫度變化引起的，是反映傳感器穩定性的指標。

1.2 壓阻式壓力傳感器的工作原理分析

利用壓阻式變換原理可以制成壓敏電阻。壓敏電阻可以感受物體受力，產生的應變力讓壓敏電阻的阻值發生變化。通過電橋進一步將電阻變化轉化為電壓或者電流的變化。利用壓阻式變換原理制成的傳感器即為壓阻式傳感器。半導體材料的壓阻效應：當固體受到作用力后其電阻率會發生變化。這一現象稱為固體的壓阻效應。用集成電路工藝制成擴散型壓敏電阻。擴散型硅壓力傳感器運用的正是這種效應，在半導體材料中的應變系數遠大于金屬片的應變系數，而且其應變系數的變化主要是由電阻率的相對變化引起的。壓阻式壓力傳感器主要優點是：壓阻系數很高，分辨率較高，動態響應好，但其最大缺點就是壓阻效應的溫度系數大，存在較大的溫度誤差。

1.3 壓阻式壓力傳感器的熱零點漂移問題的研究

1.3.1 壓阻式壓力傳感器零點漂移的表示

由于壓敏電阻制造工藝的不一致性，因此溫度零點漂移系數不是一個定值。它在不同的溫度區間有不同的值。通常也可以規定為某個溫度范圍內零點輸出占滿量程輸出的比例（±百分數）或最大溫度零點系數（即零點輸出溫度變化的最大斜率）。一般該系數取值不能超過傳感器精度值。

1.3.2 零點熱漂移產生原因的半導體理論分析

只有當電阻的摻雜濃度和阻值一致時才能使電橋的零點輸出電壓小，零點熱漂移也小。這對提高傳感器的性能十分有利。但是擴散時摻雜分布不易做到均勻，因此要求壓敏電阻條越接近越好，越短越好。

1.3.3 零點熱漂移產生原因的電路分析

理想的情況下，組成惠斯通電橋的四個擴散電阻的阻值應該是相等的。零點溫度漂移的產生是由于擴散電阻的阻值隨溫度變化引起的。在一定的溫度范圍內，電阻值隨溫度的增加而增加，即擴散電阻的溫度系數R為正值。

2 熱零點漂移的補償技術

從整體上來分，壓力傳感器的零點漂移補償可以分為硬件補償和軟件補償兩大方向。

2.1 硬件零點補償方法

對壓力傳感器而言，硬件補償方法有在橋臂上串、并聯恰當恒定電阻法，橋臂熱敏電阻補償法，橋外串、并聯熱敏電阻補償法，雙電橋補償技術、三極管補償技術等。

2.2 軟件補償零點漂移方法

在信號采集過程中，在觸發信號未發生到觸發采集以及在采集結束后的這些時間段里，輸入的信號為零，輸出的信號不為零。這種采集到的輸出數據以隨機噪聲的形式存在，對于數據的計算與處理是沒有意義的。我們定義這段時間里采集到的信號值稱之為零點漂移。所采取的軟件方法有：多項式擬合規范化法。由于在實際測量中，壓力傳感器所測量的溫度、壓力等物理量不會與輸出值是嚴格的線性關系，因此其函數關系常常是多項式形式。多項式可用于非線性信號的擬合，關鍵在于求解其各項系數；RBF神經網絡法。基本原理：通常零點溫度補償軟件算法中公式法較復雜，擬合精度常會受到限制。人工神經網絡法具有使用的樣本數少、算法簡單、具有任意函數逼近能力、應用前景良好。此外軟件法還包括查表法、插值法等。還有一些廠家從傳感器本身的特點出發，采用特殊技術，如改變摻雜濃度等，或者采用自校準技術來解決零點漂移的問題。