基于MATLab的傳感器精度校準(zhǔn)方法

西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065

一、緒論

目前，市面上存在的壓力傳感器種類繁多，為保證傳感器某些方面的性能完整，如在測(cè)量液體壓力時(shí)，必須考慮液體的密封性，在考慮密封性的前提下，設(shè)計(jì)上肯定會(huì)使部分壓力沿管壁流失，從而導(dǎo)致傳感器精度下降[1]。

如ELE型號(hào)的壓力傳感器，其利用半導(dǎo)體硅的壓阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)壓力與電信號(hào)轉(zhuǎn)換（如圖1），但被測(cè)壓力是通過不銹鋼膜片、硅油、以及敏感芯片進(jìn)行傳遞，通過多層傳遞，壓力在傳遞中的損失量無法得知，且如果被測(cè)介質(zhì)為溫敏介質(zhì)，也會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。

本文主要以ELE壓力傳感器為例，介紹一種能顯著降低自身設(shè)計(jì)缺陷和外界溫度影響的壓力傳感器校準(zhǔn)方法。

二、校準(zhǔn)原理

通常壓力傳感器是由主傳感壓力傳感器和輔傳感溫度傳感器共同進(jìn)行工作的，主傳感器進(jìn)行主要的壓力測(cè)量工作，而溫度傳感器測(cè)量主傳感器的工作環(huán)境溫度，對(duì)主傳感器進(jìn)行溫度自補(bǔ)償。

本文介紹的工作原理如圖2所示。將已進(jìn)行標(biāo)定的傳感器數(shù)據(jù)收集完成后，利用模塊自帶的二維算法將原始數(shù)據(jù)全部進(jìn)行整合，運(yùn)算出主參數(shù)和輔參數(shù)對(duì)應(yīng)二維線性系數(shù)，生成主輔信號(hào)計(jì)算公式，使計(jì)算結(jié)果更加擬合真實(shí)結(jié)果[2]。其主要操作步奏如下：

第一步：實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

在壓力傳感器的有效范圍內(nèi)確定m個(gè)壓力標(biāo)定點(diǎn)，同樣在工作溫度范圍內(nèi)確定n個(gè)溫度標(biāo)定點(diǎn)，由標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)各個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)輸出值，可得到m×n組標(biāo)定數(shù)據(jù)，繪制表格并做記錄。

第二步：回歸校準(zhǔn)

通過回歸方程p=a+bU+cU2+dU3+eU4+fU5+ε與第一步所得數(shù)據(jù)組成矩陣方程，根據(jù)已知數(shù)據(jù)逆推出方程各項(xiàng)系數(shù)。

第三步：融合計(jì)算

根據(jù)已求得的各項(xiàng)系數(shù)，確定適合的回歸方程，將該回歸方程寫入傳感器軟件部分，測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能。

三、適用范圍

適用于溫敏介質(zhì)在不同溫度環(huán)境下工作時(shí)，本身存在設(shè)計(jì)誤差的壓力傳感器的精度校準(zhǔn)，提高工作精度，減少工作時(shí)間，提高工作效率，可廣泛應(yīng)用于對(duì)溫度較為敏感的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等相關(guān)機(jī)械中的單片機(jī)控制的壓力傳感器的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。

四、MATLab模塊程序運(yùn)算

本程序以溫度與壓力傳感器的原始標(biāo)定數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過回歸融合的方法[3]，將某一干擾的影響降低，使獲得數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠，具體程序如下：

五、數(shù)據(jù)處理與對(duì)比

主傳感器壓力傳感器其輸入為P，輸出為up，輔傳感器溫度傳感器輸入為T，輸出為ut，傳感器工作溫度在21.5°C～70 °C，選定6個(gè)不同的溫度，測(cè)定壓力傳感器的靜態(tài)特征[4]，再將壓力P同樣在量程范圍里取6個(gè)值。如表1所示。

利用本模塊計(jì)算壓阻傳感器在不同溫度影響下所得數(shù)據(jù)，與通過普通一維定量計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[5]。

由MATLab模塊計(jì)算可得數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 傳感器靜態(tài)數(shù)據(jù)標(biāo)定表

表2 MATLab模塊計(jì)算數(shù)據(jù)表

在最大誤差處求取線性度可得：

再由傳統(tǒng)一維計(jì)算可得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 傳統(tǒng)一維計(jì)算數(shù)據(jù)表

在最大誤差處求取線性度可得：

六、數(shù)據(jù)分析

由兩種方法求得線性度明顯可以看出用MATLab求出的數(shù)據(jù)線性度精度明顯高于傳統(tǒng)方式求得的數(shù)據(jù)，而且用模塊計(jì)算該類問題大大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，只需改變模塊中對(duì)應(yīng)參數(shù)變量，即可迅速獲得數(shù)據(jù)，大大提高工作效率。

七、結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這種基于MATLab的精度校準(zhǔn)算法能夠明顯提高數(shù)據(jù)線性度，在應(yīng)用于傳感器測(cè)量技術(shù)中，可明顯達(dá)到提高測(cè)量精度的效果。