石文兵，葛 斌，蘇樹智

(安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

硅壓阻式壓力傳感器具有成本低、體積小、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于自動控制、鐵路交通、水利水電、航空航天和智能建筑等領(lǐng)域，成為各領(lǐng)域科技進步與發(fā)展的重要元素[1-2]。然而，單晶硅作為一種比較活潑的非金屬元素的半導體材料，其性能對溫度非常敏感，使得壓力傳感器的輸出不僅與壓力有關(guān)，還與溫度變化存在一定的關(guān)系，溫度漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生降低了傳感器的測量精度[3-4]。因此，采用相應(yīng)的溫度補償模型對壓力傳感器的數(shù)據(jù)進行處理具有重要意義，以滿足實際應(yīng)用中高精度和高實時性的要求。

目前，國內(nèi)外學者對傳感器溫度補償?shù)姆椒ㄟM行了廣泛地探索和研究，主要包括硬件補償和軟件補償兩個方向[5]。硬件補償主要是通過改進電路與設(shè)計工藝或優(yōu)化芯片設(shè)計等方法進行溫度補償或校正精度[6]，文獻[7]采用降頻轉(zhuǎn)換和正交采樣等信號處理方法對壓力傳感器進行溫度補償，提高水壓監(jiān)測的傳感精度。文獻[8]采用溫度補償?shù)穆暠砻娌ㄑb置設(shè)計了一種無線無源的應(yīng)變式傳感器，具有良好的溫度穩(wěn)定性和高應(yīng)變靈敏度。軟件補償是根據(jù)傳感器的感應(yīng)壓力、環(huán)境溫度、輸出電壓以及參數(shù)的非線性特征通過特定的算法構(gòu)造溫度補償模型，實現(xiàn)傳感器檢測精度的提升和誤差修正，文獻[9]根據(jù)溫度、壓力變化和傳感器橋路輸出等信息構(gòu)建嶺回歸模型提升測量精度，實驗結(jié)果顯示測量精度提高至±0.03%FS。文獻[10]提出了一種改進的高斯牛頓法對網(wǎng)絡(luò)進行訓練，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對壓力傳感器的溫度進行補償，實驗結(jié)果顯示該方法達到的靈敏度溫度系數(shù)為9.31×10-7。文獻[11]構(gòu)建了基于果蠅算法和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合優(yōu)化的溫度補償模型，較好地解決了銷軸傳感器的溫度漂移問題。文獻[12]用遺傳算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建MEMS諧振式加速度傳感器的溫度補償模型，該方法在-10℃~80℃范圍內(nèi)的最大誤差為0.017%。文獻[13]研究了溫度對電化學地震傳感器的性能影響，結(jié)合傳遞函數(shù)的理論模型和實驗數(shù)據(jù)建立了溫度補償模型，用溫度補償模型校正后的電化學地震傳感器的靈敏度漂移幅度明顯減小。文獻[14]和[15]分別用薄板樣條插值法、最小二乘法與拋物線插值相結(jié)合的方法設(shè)計傳感器溫度補償模型，有效改善了傳感器的測量精度。

硬件補償通常是針對某種傳感器進行特定的硬件設(shè)計或優(yōu)化，由于硬件補償調(diào)試比較復(fù)雜，通用性較差，因此工程應(yīng)用中更傾向于使用軟件補償?shù)姆椒?。通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，傳感器溫度漂移軟件補償方法的研究主要集中在回歸模型、插值算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新性研究。DBN(Deep Belief Network，深度信念網(wǎng)絡(luò))作為深度學習中一種重要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可在連續(xù)層中進行分層表征和更深層次的理解與學習，在各種工程實踐應(yīng)用中取得了突破性的進展，文獻[16]利用DBN構(gòu)建了一種效能擬合模型，用于艦艇編隊作戰(zhàn)效能敏感性分析，并驗證了基于DBN的效能擬合模型對作戰(zhàn)系統(tǒng)敏感性分析的有效性。目前，國內(nèi)外學者尚未對DBN的溫度補償方法進行深入研究，本文將研究探索使用DBN模型分析壓阻式壓力傳感器輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，構(gòu)建高精度的溫度補償模型，提升壓力傳感器在不同溫度環(huán)境下的測量精度，使其在多種應(yīng)用領(lǐng)域的壓力檢測中滿足高精度和高實時性的要求。

1 壓阻式壓力傳感器溫度補償原理

1.1 壓阻式壓力傳感器工作原理

壓阻式壓力傳感器采用單晶硅作為彈性元件，在單晶硅的特定方向擴散一種等值的P型電阻構(gòu)成惠斯通電橋，將單晶硅的壓阻效應(yīng)融入集成電路，當傳感器感受到外部壓力時，單晶硅的應(yīng)變效應(yīng)會使電阻與感應(yīng)壓力呈現(xiàn)特定規(guī)律的同步變化，橋式電路經(jīng)放大、校正和濾波后，輸出與電阻同步變化的電壓信號，從而根據(jù)輸入壓力輸出對應(yīng)的電壓信號。壓力傳感器的壓阻效應(yīng)與工作原理如圖1所示[9-10]，Vs為恒壓源，傳感器沒有感受到外部壓力時，電橋處于零點平衡狀態(tài)，當傳感器中的單晶硅片受到外部壓力時，電橋會因電阻率改變而產(chǎn)生不平衡輸出，R1、R2、R3和R4為4個橋臂上電阻的初始值，ΔRp為外部壓力引起的電阻的變化量。不僅壓力會使單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)，溫度變化也會影響硅片中載流子遷移率的改變，從而電阻值也會發(fā)生相應(yīng)的變化，R0為0℃時橋臂電阻的阻值，ΔRt為環(huán)境溫度引起的電阻的變化量，由此可見，外部壓力、環(huán)境溫度以及制作工藝都會影響傳感器的輸出電壓Vo，因此，若忽略制作工藝的影響，僅考慮溫度和壓力因素，橋臂電阻阻值可表示為:

圖1 壓力傳感器的壓阻效應(yīng)與工作原理

1.2 溫度補償數(shù)學模型

使用壓阻式壓力傳感器進行高精度壓力檢測時，理想的數(shù)學模型是Vo＝kPi＋Z0，即輸出電壓Vo是輸入壓力Pi的線性函數(shù)，其中k和Z0分別為傳感器的靈敏度和零點，當電阻變化率非常小時，可以近似地采用該理想的線性模型計算處理。但根據(jù)壓阻式壓力傳感器的工作原理可知，傳感器的輸出參數(shù)Vo不僅與輸入?yún)?shù)壓力Pi有關(guān)，還與輸入?yún)?shù)溫度Ti有關(guān)，輸出電壓Vo與橋臂電阻的變化量并非嚴格的線性關(guān)系[2]，所以輸出參數(shù)Vo是輸入?yún)?shù)Pi和Ti的非線性函數(shù)，數(shù)學模型可表示為:

式中:Z(Ti)和k(Ti)是輸入溫度Ti的函數(shù)，分別表示溫度Ti下傳感器的零點和靈敏度，φ(Ti，Pi)是Ti和Pi的高階函數(shù)，是數(shù)學模型中的非線性成分。本文研究的高精度溫度補償模型可形式化表示為:

研究目的是根據(jù)實時輸入?yún)?shù)Ti修正輸出參數(shù)Vo因溫度漂移而產(chǎn)生的分量，并消除高階函數(shù)φ(Ti，Pi)的非線性成分，提升壓力傳感器的測量精度，使其滿足高精度和高實時性的要求。

2 基于DBN的溫度補償模型

DBN是“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之父”Geoffrey Hinton在2006年提出的一種深度學習網(wǎng)絡(luò)，很好地解決了深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練問題，推動了深度學習的快速發(fā)展，開創(chuàng)了深度學習在各種科技領(lǐng)域應(yīng)用的新局面。DBN是一種生成模型，能建立特征數(shù)據(jù)和標簽的聯(lián)合分布，本研究主要基于DBN強大的數(shù)據(jù)表征能力構(gòu)建壓阻式壓力傳感器溫度補償模型，用無監(jiān)督訓練分層表征傳感器輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)復(fù)雜的非線性關(guān)系，然后用反向傳播算法對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行微調(diào)，構(gòu)建逼近傳感器實際檢測情況的高精度溫度補償模型。

2.1 溫度補償模型的結(jié)構(gòu)

要構(gòu)建壓阻式壓力傳感器溫度補償模型，需要采集不同環(huán)境下傳感器的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，輸入?yún)?shù)為影響傳感器檢測結(jié)果的關(guān)鍵特征，用向量x＝(index，sensor_calibration，sensor_temperature)表示，向量x的元素依次為樣本編號、傳感器標定壓力和溫度傳感器輸出電壓，輸出參數(shù)為特定環(huán)境溫度下標定壓力對應(yīng)的輸出電壓，用向量y＝(sensor_pressure)表示。基于DBN的壓阻式壓力傳感器溫度補償模型的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，該模型是由連續(xù)的多個受限玻爾茲曼機(Restricted Boltzmann Machine，RBM)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)構(gòu)建的深度學習回歸模型，DBN中從第一層到頂層之間每個相鄰的兩層可作為一個RBM，第n-1個RBMn-1的輸出作為第n個RBMn的輸入，wn表示RBMn中神經(jīng)元的權(quán)重[17-19]。

圖2 基于DBN的溫度補償模型體系結(jié)構(gòu)

RBM是DBN中的核心組件，只包括可視層和隱藏層兩層神經(jīng)元，可視層用于訓練數(shù)據(jù)的輸入，隱藏層用于提取數(shù)據(jù)的特征信息，可視層和隱藏層的神經(jīng)元相互連接，相同層之間的神經(jīng)元無連接，RBM的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中ai、bj為可視層神經(jīng)元vi和隱藏層神經(jīng)元hj的偏置，wij為vi和hj的連接權(quán)重。

圖3 RBM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

RBM的訓練過程就是調(diào)整參數(shù)擬合訓練樣本，使參數(shù)對應(yīng)的概率分布盡可能符合訓練樣本，RBM用能量函數(shù)表示概率分布，能量函數(shù)計算方法如式(4)所示，θ表示神經(jīng)元連接權(quán)重和偏置參數(shù)的集合，狀態(tài)(v，h)的聯(lián)合概率分布的計算如式(5)所示，式(6)中的Z為配分函數(shù)。

RBM用“最大似然估計”的方法根據(jù)已知樣本反推最大概率導致這種計算結(jié)果的參數(shù)值，在不影響估計函數(shù)單調(diào)性的基礎(chǔ)上，估計函數(shù)的計算過程簡化為似然函數(shù)的對數(shù)，對數(shù)似然函數(shù)如式(7)所示。

2.2 溫度補償模型的訓練過程與調(diào)優(yōu)

溫度補償模型中的RBM通過逐層無監(jiān)督訓練使模型獲得較好的訓練參數(shù)，用對比散度算法進行參數(shù)更新，當可視層v(0)的狀態(tài)確定時，隱藏層h(0)狀態(tài)為1的概率的計算方法如式(8)所示。

同理，根據(jù)隱藏層計算可視層v(1)狀態(tài)為1的概率p[v(1)＝1｜h(0)]如式(9)所示，公式中的σ為sigmoid激活函數(shù)。

對比散度算法提升了模型的學習效率和數(shù)據(jù)擬合效果，連接權(quán)重wij、可視層偏置ai和隱藏層偏置bj的更新方法如式(10)~式(12)所示，公式中η為學習率。

溫度補償模型中逐層訓練的方法可以保證本層的特征提取到達最優(yōu)狀態(tài)，但隨著逐層訓練的不斷進行，訓練誤差會依次傳遞給后面的網(wǎng)絡(luò)層，使得整個深層網(wǎng)絡(luò)的誤差較大，為使溫度補償模型獲得最優(yōu)擬合效果，模型中的頂層BPNN根據(jù)誤差調(diào)節(jié)訓練參數(shù)，用反向傳播算法將頂層誤差傳播給下一層，下面各層通過微調(diào)優(yōu)化整個模型的訓練參數(shù)，從而實現(xiàn)深層網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化[20]。

構(gòu)建溫度補償模型的關(guān)鍵是設(shè)計DBN的隱藏層及各層神經(jīng)元的數(shù)量，使設(shè)計的模型結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的數(shù)據(jù)擬合效果。目前DBN模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計大多是基于專家經(jīng)驗的應(yīng)用與調(diào)試，沒有提供確定的算法和計算公式，本文結(jié)合均方根誤差RMSE設(shè)計了一種區(qū)間定位的DBN模型構(gòu)建算法，構(gòu)建逼近傳感器實際檢測結(jié)果的高精度溫度補償模型，RMSE計算方法如式(13)所示，y′i表示模型的擬合值，yi表示實際值，溫度補償模型構(gòu)建過程見算法1。

算法1 區(qū)間定位的溫度補償模型構(gòu)建算法

2.itv＝[a，a＋t，a＋2*t，…，b]；//初始區(qū)間3.for(i＝0；i1＆＆r[i]>r[i-1]) break；}//若當前參數(shù)不優(yōu)于上一次則退出

算法經(jīng)過模型初始化后，在初始區(qū)間進行大跨度遍歷和訓練，計算當前最優(yōu)參數(shù)并重構(gòu)搜索區(qū)間，在重構(gòu)區(qū)間進行細粒度搜索定位最優(yōu)參數(shù)，若重構(gòu)區(qū)間能得到更優(yōu)的性能則更新當前狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加隱藏層并重復(fù)上述方法，如果當前狀態(tài)不優(yōu)于上一輪構(gòu)建的模型，則結(jié)束區(qū)間定位搜索。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

構(gòu)建溫度補償模型需要采集實驗數(shù)據(jù)并進行預(yù)處理，本研究參考借鑒文獻[10]的實驗數(shù)據(jù)，文獻[10]對壓力傳感器溫度補償?shù)难芯孔龀隽溯^大貢獻，對作者的付出表示感謝。文獻[10]的數(shù)據(jù)采集過程為:將美國霍尼韋爾26PCCFA6G型硅壓阻式壓力傳感器和溫度傳感器貼附在一起置于恒溫實驗箱中，對26PCCFA6G分別施加899.01 hPa，948.68 hPa，998.35 hPa，1 048.03 hPa，1 097.66 hPa 5組不同的標定壓力P，記錄其在溫度-40℃，-30℃，…，50℃，60℃下溫度傳感器的輸出電壓U1和壓力傳感器的輸出電壓U2。文獻[10]中表1為采集的原始數(shù)據(jù)，主要包括實驗溫度、標定壓力、溫度傳感器輸出電壓和壓力傳感器輸出電壓。

表1 溫度補償前壓力傳感器輸出電壓

為提高溫度補償模型的精度和DBN的收斂速度，按式(14)對文獻[10]表1中的標定壓力、溫度傳感器輸出電壓和壓力傳感器輸出電壓進行歸一化處理，數(shù)據(jù)反歸一化計算方法如式(15)所示。

文獻[10]對相同溫度環(huán)境下采集的各種標定壓力的數(shù)據(jù)項進行局部分組歸一化，考慮到數(shù)據(jù)的全局歸一化比局部分組歸一化能更好地維持實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性，本文將11種溫度環(huán)境下采集的各種標定壓力的數(shù)據(jù)項進行全局歸一化，歸一化預(yù)處理后的數(shù)據(jù)如表1所示，按環(huán)境溫度依次為-40℃，-30℃，…，50℃，60℃的順序，分行顯示上述5組標定壓力下的溫度傳感器輸出電壓U1和壓力傳感器輸出電壓U2。

3.2 溫度補償模型的構(gòu)建

實驗采用Keras框架構(gòu)建DBN溫度補償模型，系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows 10 64位旗艦版操作系統(tǒng)，Intel i9-10900K 3.7GHz 10核20線程處理器，32G運行內(nèi)存，根據(jù)算法1設(shè)置學習率為1e-6，激活函數(shù)為sigmoid，損失函數(shù)為mse，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化器為nadam，設(shè)置區(qū)間中a、b、t的初值分別為10、200和10，執(zhí)行區(qū)間定位的溫度補償模型構(gòu)建算法得到的隱藏層結(jié)構(gòu)和均方根誤差如圖4所示，隨著Epochs數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)權(quán)重不斷更新迭代，當溫度補償模型包括神經(jīng)元數(shù)量分別為145和34的2個隱藏層時，RMSE逐漸降低并趨于穩(wěn)定，Epochs接近20時，模型慢慢優(yōu)化并逼近最優(yōu)擬合狀態(tài)，對比圖4所示的3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)算法1確定DBN最優(yōu)隱藏層結(jié)構(gòu)為[145，34]，最優(yōu)的Epochs值為34。

圖4 模型隱藏層結(jié)構(gòu)和均方根誤差

3.3 溫度補償模型的數(shù)據(jù)擬合

用構(gòu)建好的溫度補償模型對預(yù)處理的實驗數(shù)據(jù)擬合輸出，得到5組標定壓力和11個溫度環(huán)境下的壓力傳感器的輸出電壓，按表1相同的排列順序，得到的計算結(jié)果如表2所示。

表2 溫度補償后壓力傳感器輸出電壓

為對比壓力傳感器溫度補償前后的測量精度，引入滿量程相對誤差REFS和靈敏度溫度系數(shù)Ts兩項性能指標，計算方法如式(16)、式(17)所示，max(U2)和min(U2)分別表示相同標定壓力下傳感器輸出電壓的最大值和最小值，Tmax與Tmin為實驗溫度的最大值和最小值，本實驗環(huán)境下Tmax-Tmin的值為100，REFS和Ts為多組標定壓力下計算結(jié)果的平均值。

根據(jù)表1和表2可計算出壓力傳感器溫度補償前后的性能指標REFS和Ts，將本文方法與文獻[10]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行對比，實驗結(jié)果如表3所示，經(jīng)過溫度補償后，傳感器在各標定壓力下滿量程相對誤差和靈敏度溫度系數(shù)均提升了兩個數(shù)量級，具有很好的穩(wěn)定性，且本文方法優(yōu)于文獻[10]的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，較好地改善了溫度對壓力傳感器測量精度的影響。

表3 溫度補償前后性能指標對比

將表1的數(shù)據(jù)反歸一化，將得到溫度補償之前各溫度環(huán)境下不同標定壓力對應(yīng)的壓力傳感器輸出電壓，表2的數(shù)據(jù)反歸一化后，將得到溫度補償模型擬合輸出的各溫度環(huán)境下相應(yīng)標定壓力對應(yīng)的壓力傳感器輸出電壓，DBN模型擬合前后的3維數(shù)據(jù)可視化如圖5所示，觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過溫度補償模型擬合輸出的數(shù)據(jù)更加平展，滿量程相對誤差明顯降低，測量精度明顯提升，很好地優(yōu)化了溫度漂移現(xiàn)象。

圖5 模型擬合前后3維數(shù)據(jù)可視化

4 結(jié)論

本研究通過區(qū)間定位的溫度補償模型構(gòu)建算法優(yōu)化DBN結(jié)構(gòu)，構(gòu)建的溫度補償模型對硅壓阻式壓力傳感器輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間復(fù)雜的非線性關(guān)系具有很好的擬合表征能力，優(yōu)化后壓力傳感器的滿量程相對誤差降低至8.240×10-5，提升了傳感器在不同溫度環(huán)境下的測量精度，經(jīng)過實驗對比分析，驗證了該方法的有效性。在后續(xù)的研究中，將采集更多的實驗數(shù)據(jù)，豐富樣本數(shù)量，進一步優(yōu)化提升溫度補償模型的擬合表征能力，為各應(yīng)用領(lǐng)域中高精度和高穩(wěn)定性的壓力檢測提供技術(shù)支持。