劉 溢 吳佳靈 王光明 武東健

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

在火箭地面試驗(yàn)和飛行過(guò)程中，壓力是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)和控制對(duì)象,壓阻式壓力傳感器，具有靈敏度高、線性好、過(guò)載能力強(qiáng)、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]，得到了廣泛應(yīng)用。但由于制作工藝和材料本身的原因，四個(gè)橋臂電阻不等及其溫度系數(shù)不一致，導(dǎo)致溫度變化時(shí)電橋輸出不平衡，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移；壓阻系數(shù)隨溫度降低，導(dǎo)致靈敏度降低，產(chǎn)生靈敏度漂移[2,3]。因此，為了提高傳感器精度，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文以MAX1452芯片為核心，設(shè)計(jì)了一套壓力變送和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，將傳感器信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償集成一體，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，極大簡(jiǎn)化了電路[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償采用一體化集成方案，如圖1所示，由四部分組成：上位機(jī)、多路標(biāo)定模塊、MAX1452調(diào)理模塊以及壓力傳感器芯體。

圖1 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of pressure sensor signal conditioning system

本設(shè)計(jì)方案中采用藍(lán)寶石壓力傳感器芯體，可靠性高，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，溫度特性和安全性也較充油式擴(kuò)散硅壓力傳感器好。調(diào)理模塊主要由電源、MAX1452芯片及其外圍電路組成，完成傳感器信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償，與傳感器芯體一起構(gòu)成完整的壓力傳感器。接口模塊主要由電源、PIC單片機(jī)、AD采樣電路、485通訊模塊等構(gòu)成，作為上位機(jī)和傳感器之間的接口電路，在傳感器標(biāo)定、測(cè)試時(shí)使用。上位機(jī)作為傳感器的標(biāo)定控制軟件，完成控制標(biāo)定流程，運(yùn)行擬合算法，下載補(bǔ)償參數(shù)等功能，可同時(shí)標(biāo)定多支傳感器。

3 數(shù)學(xué)模型及補(bǔ)償機(jī)理

3.1 傳感器建模

傳感器電氣模型可以簡(jiǎn)化為惠斯通電橋，如圖2所示?？傻脗鞲衅鬏敵鰹?/p>

圖2 傳感器電氣模型Fig.2 Sensor electrical mode

(1)

式中：Uo——傳感器差分輸出信號(hào)；Uo+——傳感器正端輸出信號(hào)；Uo-——傳感器負(fù)端輸出信號(hào)；Ub——電橋激勵(lì)電壓；Us——單位電橋電壓激勵(lì)下傳感器輸出；σ——傳感器所有其他誤差來(lái)源。

Us=S·P+Uof

(2)

式中：S——傳感器機(jī)械激勵(lì)靈敏度；P——傳感器機(jī)械激勵(lì)(壓力)；Uof——傳感器單位電橋電壓激勵(lì)下的偏置輸出。

由于σ為非系統(tǒng)誤差，具有隨機(jī)性，不能補(bǔ)償，本設(shè)計(jì)中忽略，則有

Uo=Uo+-Uo-=Ub·Us

(3)

將S、P、Uof展開(kāi)成溫度t和壓力P的高階形式為

Us=(s0+s1·t+s2·t2+(…))·

(e0+e1·P+e2·P2+(…))+

(o0+o1·t+o2·t2+(…))

(4)

式中：sn——靈敏度系數(shù)；en——非線性激勵(lì)系數(shù)；on——偏置系數(shù)。

3.2 信號(hào)調(diào)理

本設(shè)計(jì)基于MAX1452完成信號(hào)調(diào)理。MAX1452是一款高度集成的傳感器信號(hào)處理芯片，具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，可以在(-40～125)℃的范圍內(nèi)，利用16位DAC對(duì)信號(hào)的偏移量和跨度進(jìn)行數(shù)字化校準(zhǔn)和補(bǔ)償。

3.2.1傳感器激勵(lì)

在MAX1452的內(nèi)部有一個(gè)可編程激勵(lì)源，用于對(duì)傳感器的惠斯登電橋供電[5]，如圖3所示。

圖3 可編程傳感器激勵(lì)Fig.3 Programmable sensor excitation

由圖3可以看出，加載在電橋上的電流源Ib是經(jīng)過(guò)電阻RISRC和RFTC的電流I的鏡像電流，它的放大倍率為AA，則

Ib=AA×I=AA×(I1+I2)

(5)

(6)

式中：UDD——電源電壓，是16位寄存器FSODAC的參考電壓；FSODAC——存儲(chǔ)在寄存器中的靈敏度補(bǔ)償系數(shù)。

(7)

式中：Ub——電橋電壓，是16位寄存器FSOTCDAC的參考電壓；FSOTCDAC——存儲(chǔ)在寄存器中的靈敏度溫度補(bǔ)償系數(shù)。

Ib=AA×

(8)

電橋電壓表達(dá)式為

Ub=Ib×Rb=AA×Rb×

(9)

式中：Rb——電橋電阻。

化簡(jiǎn)可得

(10)

從公式(10)可以看出，電橋電壓由FSODAC和FSOTCDAC兩個(gè)寄存器控制，根據(jù)測(cè)定的溫度值合理改變FSODAC和FSOTCDAC參數(shù)值可以有效控制電橋電壓，從而改變傳感器最終輸出電壓，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

3.2.2傳感器信號(hào)調(diào)理

圖4為信號(hào)調(diào)理框圖，由4位可編程增益放大器PGA、3位輸入?yún)⒖际д{(diào)校準(zhǔn)IRODAC、偏移補(bǔ)償OFFSETDAC、偏移量溫度補(bǔ)償OFFTCDAC以及加法電路等組成，共同產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，完成傳感器信號(hào)調(diào)理和溫度補(bǔ)償[5]。其中，IRO由符號(hào)存器IROSign和數(shù)值寄存器IRODAC構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器小信號(hào)的初始微調(diào)。整個(gè)傳感器信號(hào)調(diào)理后輸出的表達(dá)式為

圖4 信號(hào)調(diào)理框圖Fig.4 Signal conditioning block diagram

(11)

式中：IRO——存儲(chǔ)在寄存器中的輸入失調(diào)補(bǔ)償系數(shù)；PGA——存儲(chǔ)在寄存器中的增益放大系數(shù)；OFFSETDAC——存儲(chǔ)在寄存器中的偏移量補(bǔ)償系數(shù)；OFFTCDAC——存儲(chǔ)在寄存器中的偏移量溫度補(bǔ)償系數(shù)。

聯(lián)合公式(3)(10)(11)可求出傳感器輸出

(12)

(13)

將公式(2)代入化簡(jiǎn)可得

Uo=UDD·

(14)

由公式(14)可以看出，傳感器調(diào)理后輸出信號(hào)包括兩部分：跨度輸出和偏移量輸出。第一項(xiàng)為跨度輸出，由P、S、Rb及寄存器PGA、FSODAC的值決定，后三項(xiàng)為偏移量輸出，由Rb、Uof、寄存器FSODAC、PGA、IRO、OFFSETDAC的值決定。

3.3 補(bǔ)償機(jī)理

根據(jù)公式(14)，Rb、S和Uof和介質(zhì)溫度t均有關(guān)系。在相同壓力P下，隨著介質(zhì)溫度t變化，Uo也會(huì)發(fā)生改變，即溫度漂移，包括靈敏度漂移和零點(diǎn)漂移。因此，溫度補(bǔ)償也包括靈敏度補(bǔ)償和零點(diǎn)輸出補(bǔ)償。

3.3.1靈敏度補(bǔ)償

一般情況下，TCR往往大于TCS[6]。因此，根據(jù)公式(14)，傳感器具有一個(gè)正的非線性滿量程溫度誤差。如果通過(guò)一定手段，適當(dāng)減小TCR，使之剛好與TCS大小相等，方向相反，則兩者隨溫度變化可相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度補(bǔ)償。

圖5 TCR與TCS關(guān)系示意圖Fig.5 Relationship between TCR and TCS

本設(shè)計(jì)中通過(guò)適當(dāng)改變Ub來(lái)實(shí)現(xiàn)等效的理想TCR。由公式(14)可知，當(dāng)Rb和S隨溫度改變時(shí)，相應(yīng)改變寄存器FSODAC的值，使得三者變化量相互抵消，從而使得滿量程輸出不變，完成補(bǔ)償。標(biāo)定時(shí)，根據(jù)擬合算法確定好FSODAC補(bǔ)償曲線[7]，并存入查找表中；正常工作時(shí)，每隔1ms，根據(jù)內(nèi)嵌的溫度傳感器查找當(dāng)前溫度下對(duì)應(yīng)的FSODAC的值并進(jìn)行運(yùn)算，從而消除TCR和TCS帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)傳感器的靈敏度補(bǔ)償。

3.3.2零點(diǎn)補(bǔ)償

對(duì)于零點(diǎn)漂移誤差，在信號(hào)放大處理端可以被消除。由圖4和公式(14)可知，改變IRO、OFFSETDAC和OFFTCDAC的值，即可補(bǔ)償傳感器的零點(diǎn)漂移。其中OFFSETDAC是動(dòng)態(tài)系數(shù)，標(biāo)定時(shí)確定OFFSETDAC補(bǔ)償曲線，工作時(shí)根據(jù)當(dāng)前的溫度值查找對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，對(duì)傳感器輸出信號(hào)的零點(diǎn)漂移進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，主要包括傳感器芯體、調(diào)理及補(bǔ)償電路板、傳感器外殼以及輸出航插等部分。采用藍(lán)寶石壓力傳感器芯體，量程設(shè)計(jì)為(0～2.5)MPa，補(bǔ)償溫度范圍(-40～60)℃,輸出(0.5～4.5)V。

圖6 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Sensor structure

4.2 信號(hào)調(diào)理及補(bǔ)償電路

信號(hào)調(diào)理及補(bǔ)償電路如圖7所示。MAX1452芯片有兩個(gè)電源端UDD和Uddf，共用一個(gè)5V電源供電。Uddf為芯片的EEPROM供電，讀寫(xiě)時(shí)瞬時(shí)電流較大，為避免給UDD帶來(lái)紋波，減小噪聲耦合，增加RC濾波環(huán)節(jié)。同時(shí)，為了滿足UDD和Uddf上電時(shí)間差不超過(guò)10μs的要求，在RC兩端并聯(lián)肖特基二極管，解決啟動(dòng)問(wèn)題。D2、D3為輸出限幅保護(hù)電路。UOUT端為傳感器電壓輸出，標(biāo)定時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，本設(shè)計(jì)中設(shè)置為(0.5～4.5)V。

圖7 信號(hào)調(diào)理及補(bǔ)償電路Fig.7 Signal conditioning and compensation circuit

4.3 多路標(biāo)定模塊

為了提高標(biāo)定效率，設(shè)計(jì)多路標(biāo)定模塊，在上位機(jī)標(biāo)定程序的控制下，完成傳感器的標(biāo)定和參數(shù)下載。圖8為多路標(biāo)定模塊框圖，主要包括電源模塊、片選模塊、AD采樣模塊、單片機(jī)控制模塊、485通訊模塊等。根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)一對(duì)一或一對(duì)多連接，還可并接多路接口模塊[8]。

圖8 多路標(biāo)定模塊框圖Fig.8 Block diagram of multi-channel calibration module

4.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括多路標(biāo)定模塊軟件(下位機(jī))和上位機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)(主控軟件)。圖9為上位機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)主界面，實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)定流程控制；補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算與下載；傳感器參數(shù)設(shè)置、修改等功能。通過(guò)485與多路標(biāo)定模塊通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器調(diào)理模塊的控制。

圖9 上位機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)主界面Fig.9 Host monitor calibration system main interface

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用圖6所示傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，選取包括零點(diǎn)、滿度在內(nèi)的6個(gè)壓力點(diǎn)，從-40℃開(kāi)始每隔20℃選取一個(gè)溫度補(bǔ)償點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括傳感器芯體輸出特性測(cè)試和對(duì)應(yīng)的溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。

5.1 傳感器芯體輸出特性測(cè)試

單獨(dú)對(duì)傳感器芯體采用5V恒壓供電，電壓源精度實(shí)測(cè)為0.02%；壓力源為0.02級(jí)油壓活塞；溫箱最小分辨率為0.1℃。

將藍(lán)寶石芯體置于溫箱中，通電，調(diào)節(jié)溫箱溫度至實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，穩(wěn)定兩小時(shí)后，用六位半數(shù)字萬(wàn)用表直接采樣其輸出信號(hào)Uo，記錄如表1所示。其中，19.8℃為常溫下測(cè)得數(shù)據(jù)，后續(xù)計(jì)算中均與之進(jìn)行比較。

繪制表1中各溫度點(diǎn)下傳感器芯體零點(diǎn)輸出和滿量程輸出的變化曲線，如圖10、圖11所示?？梢钥闯觯瑐鞲衅餍倔w輸出與溫度呈二次曲線關(guān)系，這是由于廠家利用串并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了一次硬件溫度補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。

表2是各溫度點(diǎn)傳感器芯體零點(diǎn)輸出和滿度輸出相對(duì)于常溫(19.8℃)時(shí)的每度溫漂(百分比)。可以看出，溫度越低，溫漂越大，最大溫漂為0.02%/℃。由此粗略估算在跨度為100℃溫度范圍內(nèi)僅溫漂引起的誤差可達(dá)2%，精度要求較高的場(chǎng)合需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

表1 傳感器芯體不同溫度下信號(hào)輸出Tab.1 Sensor output at different temperatures傳感器芯體輸出 溫度點(diǎn) (℃)壓力 (MPa) (mV)59.739.919.80.1-19.8-39.800.730.740.730.690.640.540.55.695.715.705.655.585.46110.6610.6910.6710.6110.5310.381.515.6215.6615.6415.5715.4715.29220.5820.6220.6120.5320.4020.202.525.5325.5825.5725.4825.3425.10滿量程24.8124.8424.8424.7924.7024.56

5.2 傳感器溫度補(bǔ)償

在同樣條件下對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定及溫度補(bǔ)償，標(biāo)定的FSODAC、OFFSETDAC補(bǔ)償曲線如圖12，圖13所示，將其下載至信號(hào)調(diào)理模塊中，補(bǔ)償完成。

圖10 零點(diǎn)輸出-溫度曲線Fig.10 Zero output- temperature curve

圖11 滿量程輸出-溫度曲線Fig.11 Full scale output-temperature curve

表2 傳感器芯體輸出相對(duì)常溫每度溫漂Tab.2 Temperature drift per degree celsius of sensor output relative to normal temperature溫度(℃)零點(diǎn)輸出(mV)溫漂(%/℃)滿度輸出(mV)溫漂(%/℃)19.8(常溫)0.73/24.84/59.70.730.0024.810.0039.90.740.0024.840.000.10.69-0.0124.79-0.01-19.80.64-0.0124.70-0.01-39.80.54-0.0124.56-0.02

圖12 FSO DAC-溫度曲線Fig.12 FSO DAC- temperature curve

圖13 OFFSET DAC-溫度曲線Fig.13 OFFSET DAC- temperature curve

對(duì)比圖11和圖12，圖10和圖13可以發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償結(jié)果與3.3節(jié)所述補(bǔ)償機(jī)理一致，與公式(14)的理論模型相吻合。如圖11所示，滿量程隨溫度呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系，在30℃兩側(cè)，由于靈敏度溫度系數(shù)TCS減小，導(dǎo)致相同壓力下輸出減小，由此，需要增大FSODAC的值，使其與靈敏度S的變化相互抵消，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。因此，圖12中FSODAC為以30℃為軸線向上開(kāi)口的二次曲線，補(bǔ)償結(jié)果完全驗(yàn)證了理論模型。同理，圖10，圖13也相互支持印證。

5.3 補(bǔ)償效果測(cè)試

補(bǔ)償完成后同樣條件下每隔10℃進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、誤差計(jì)算分別如表3、表4所示。

由表4可以看出，在全溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償后傳感器最大誤差為0.15%，包含了重復(fù)性、非線性、溫漂和其他所有誤差在內(nèi)，相較于補(bǔ)償前僅溫漂誤差一項(xiàng)就達(dá)2%，溫度補(bǔ)償效果比較理想。如若增加補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)，可進(jìn)一步提高全溫度范圍內(nèi)的精度；實(shí)際運(yùn)用中，可以根據(jù)所需精度靈活確定溫度補(bǔ)償點(diǎn)，提高效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以MAX1452芯片為核心，設(shè)計(jì)了一套壓力變送和溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。從理論上分析了壓力傳感器溫度漂移機(jī)理,給出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。并設(shè)計(jì)傳感器進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：補(bǔ)償結(jié)果與理論模型吻合，傳感器補(bǔ)償后誤差優(yōu)于0.15%，比補(bǔ)償前提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，取得了很好的補(bǔ)償效果，為壓力傳感器寬溫區(qū)應(yīng)用創(chuàng)造條件。