摘 要：擴散硅壓力變送器具有精度高、穩定性好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，但容易受溫度影響，導致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。因此需對擴散硅壓力變送器進(jìn)行溫度補償。本文提出了一種軟件補償方法，shou先建立擴散硅壓力變送器與溫度的高階溫度補償模型，工控機利用#小二乘回歸算法（PLSR）求出壓力變送器的溫度補償系數，通過(guò)HART通訊把溫度補償系數發(fā)送到壓力變送器中，壓力變送器通過(guò)高階溫度補償模型就可實(shí)現對擴散硅壓力變送器的溫度補償。
概述
擴散硅壓力變送器具有精度高、穩定性好、響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，但容易受溫度影響，導致零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。測量值和真實(shí)值存在著(zhù)誤差，因此溫度補償問(wèn)題是提高傳感器性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。目前擴散硅壓力傳感器主要有兩種溫度補償方法：硬件補償和軟件補償。硬件補償方法存在調試困難、精度低、成本高、通用性差等缺點(diǎn)，不利于工程實(shí)際應用；軟件補償能夠克服以上缺點(diǎn)，也逐漸成為研究熱點(diǎn)。
目前軟件補償主要有：查表法、二元插值法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法、曲線(xiàn)曲面擬合方法等。查表法需要占用很大的內存空間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法存在網(wǎng)絡(luò )不穩定、訓練時(shí)間較長(cháng)等缺點(diǎn)，不利于工程應用。本文采用#小二乘回歸算法，占用內存少，運算速度快，可提高壓力變送器的輸出線(xiàn)性度和精度，提高了壓力變送器在全溫
度范圍內的穩定性和可靠性。
1、溫度補償系統原理
擴散硅壓力變送器的溫度補償系統的硬件控制系統框圖如圖1 所示，圖1 以?xún)删�(xiàn)制帶HART 通訊的壓力變送器為例。工控機通過(guò)溫度采集板卡采集放到溫控箱里溫度傳感器的溫度，并通過(guò)GPIB 總線(xiàn)對溫控箱進(jìn)行溫度調節。氣泵、增壓泵和壓力控制系統為壓力變送器提供壓力，工控機通過(guò)壓力檢測系統檢測氣體的壓力值，并根據此壓力值調節壓力控制系統為壓力變送器提供穩定的壓力源。壓力變送器在溫控箱里整齊排列，壓力變送器接在同一個(gè)壓力氣源上，壓力變送器的供電也連接在一起接到24V 供電電源上，HART 調制解調器串在24V 供電電路里。當溫控箱穩定在某一溫度下，壓力控制系統為壓力變送器提供一個(gè)穩定的標準壓力，工控機就可以通過(guò)HART 調制解調器讀取溫控箱內每個(gè)壓力變送器在當前溫度和當前壓力下的壓力值。
2 溫度補償模型
通過(guò)對擴散硅壓力變送器的特性研究和大量的實(shí)驗數據分析發(fā)現，擴散硅壓力變送器的壓力值隨溫度變化滿(mǎn)足一定的規律，基于該規律提出了適用于擴散硅壓力變送器的高階溫度補償模型。
2.1 建立高階溫度補償模型
擴散硅壓力變送器的溫度補償模型如下：
其中：P—補償后壓力值，單位bar；
CP00~CP44 —壓力的溫度補償系數；
P測—變送器測量的壓力值，單位bar；
T—溫度值，單位℃；
由關(guān)系式（1）得到矩陣形式如下：
其中：
其中：CP 和PT 都是具有25 個(gè)元素的行向量；CP00 ～CP44、P 測、T 和P 的含義同式（1）。
2.2 獲取樣本數據
在擴散硅壓力傳感器的工作溫度范圍內（-35℃～85℃），每隔一定溫度取一個(gè)溫度點(diǎn)，共m 個(gè)溫度點(diǎn)，并在每一個(gè)溫度點(diǎn)下采集壓力變送器在滿(mǎn)量程范圍內的n 個(gè)壓力點(diǎn)的測量壓力值，則有m*n 個(gè)測量壓力值。然后通過(guò)m 個(gè)溫度值、n 個(gè)標準壓力值、m*n 個(gè)測量壓力值求解高階溫度補償模型的補償系數，求出補償系數后，把補償系數寫(xiě)到硅壓力變送器的存儲單元中保存，以實(shí)現對擴散硅壓力變送器的溫度補償。根據式(2) 數據，可得到m*n 個(gè)關(guān)系式：
式(5) 轉換成矩陣形式如下：
設式（6）中, 則有
2.3 利用#小二乘回歸算法計算壓力的溫度補償系數。
根據式（7）工控機利用軟件MATLAB 中的函數[CPT,CPint, b, bint, state]=regress(PT, A, 0.05) 即可求出溫度補償系數CP。
3 溫度補償方法的實(shí)現
把量程為1bar 的擴散硅壓力變送器放到溫控箱中，接通氣源為壓力變送器提供標準壓力。給壓力變送器上電，關(guān)閉恒溫箱。在硅壓力變送器的使用溫度范圍（-35℃～ 85℃）內每隔10℃選取一個(gè)溫度點(diǎn)，共有13 個(gè)溫度測試點(diǎn)（m=13）。在每個(gè)溫度點(diǎn)分別采集壓力變送器在標準壓力為0bar、0.5bar 和1bar 下的測量壓力值（n=3），得到表1 補償前數據。表1 中的地衣行為溫度值，第二行為壓力變送器在0bar 壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值，第三行為壓力變送器在0bar 時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿(mǎn)量程誤差。第四行為壓力變送器在0.5bar 壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值，第五行為壓力變送器在0.5bar 時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的壓力滿(mǎn)量程誤差。第六行為壓力變送器在1.0bar 壓力時(shí)各個(gè)溫度下的測量壓力值，第七行為壓力變送器在1.0bar 時(shí)各個(gè)溫度點(diǎn)的滿(mǎn)量程誤差。根據表1 數據，可以得到矩陣A 和，根據式，工控機調用MATLAB 中的#小二乘回歸算法函數regress，即可求出壓力變送器的溫度補償系數CP00 ～ CP44，如表2 所示。求出溫度補償系數后，工控機通過(guò)HART 通訊把溫度補償系數傳到壓力變送器內，根據式（1）可得出此壓力變送器的溫度補償模型，表3 為此壓力變送器采用溫度補償后的數據。
從表1、表3 數據可以看出，未進(jìn)行溫度補償前擴散硅壓力變送器的溫度漂移很大，在-35℃、壓力為1bar 時(shí)滿(mǎn)量程誤差為0.81%，而采用高階溫度補償模型進(jìn)行補償后的溫度漂移明顯減小，在-35℃～ 85℃的溫度范圍內，壓力變送器的滿(mǎn)量程誤差為0.07%，擴散硅壓力變送器補償后的滿(mǎn)量程精度比補償前提高了10 倍。
采用了本文介紹的壓力變送器的溫度補償技術(shù)，大大提高了擴散硅壓力變送器的輸出精度，且降低了產(chǎn)品輸出溫度漂移，產(chǎn)品在-35℃～ 85℃的溫度范圍內，溫度漂移控制在0.075% 以?xún)取?span style="display:none">xzy壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
4 結論
采用高階溫度補償模型，并利用#小二乘回歸算法求解高階溫度補償模型系數的方法實(shí)現對擴散硅壓力變送器的溫度補償，從而改善了傳感器和電路元器件的溫度漂移，提高了擴散硅壓力變送器的輸出精度。在降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品性能和產(chǎn)品在國際市場(chǎng)競爭力等方面都具有非常重要的意義。
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