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技術(shù)文章
了解他的溫度補償方法就可以放心使用擴散硅壓力變送器
閱讀次數(shù)：649 發(fā)布時間：2019/9/10 10:15:43
了解他的溫度補償方法就可以放心使用擴散硅壓力變送器
擴散硅壓力變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但容易受溫度影響，導(dǎo)致零點漂移和靈敏度漂移。因此需對擴散硅壓力變送器進行溫度補償。本文提出了一種軟件補償方法，首先建立擴散硅壓力變送器與溫度的高階溫度補償模型，工控機利用最小二乘回歸算法（PLSR）求出壓力變送器的溫度補償系數(shù)，通過HART通訊把溫度補償系數(shù)發(fā)送到壓力變送器中，壓力變送器通過高階溫度補償模型就可實現(xiàn)對擴散硅壓力變送器的溫度補償。關(guān)鍵詞：擴散硅壓力傳感器；溫度補償模型；最小二乘回歸法
0 概述
擴散硅壓力變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但容易受溫度影響，導(dǎo)致零點漂移和靈敏度漂移[1]。測量值和真實值存在著誤差，因此溫度補償問題是提高傳感器性能的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。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(diào)試困難、精度低、成本高、通用性差等缺點，不利于工程實際應(yīng)用；軟件補償能夠克服以上缺點，也逐漸成為研究熱點[3]。
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、曲線曲面擬合方法等[4]。查表法需要占用很大的內(nèi)存空間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、訓(xùn)練時間較長等缺點，不利于工程應(yīng)用。本文采用最小二乘回歸算法，占用內(nèi)存少，運算速度快，可提高壓力變送器的輸出線性度和精度，提高了壓力變送器在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠性。
1 溫度補償系統(tǒng)原理
擴散硅壓力變送器的溫度補償系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示，圖1 以兩線制帶HART 通訊的壓力變送器為例。工控機通過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GPIB 總線對溫控箱進行溫度調(diào)節(jié)。氣泵、增壓泵和壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供壓力，工控機通過壓力檢測系統(tǒng)檢測氣體的壓力值，并根據(jù)此壓力值調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供穩(wěn)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(diào)制解調(diào)器串在24V 供電電路里。當溫控箱穩(wěn)定在某一溫度下，壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供一個穩(wěn)定的標準壓力，工控機就可以通過HART 調(diào)制解調(diào)器讀取溫控箱內(nèi)每個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
通過對擴散硅壓力變送器的特性研究和大量的實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，擴散硅壓力變送器的壓力值隨溫度變化滿足一定的規(guī)律[5]，基于該規(guī)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(shù)；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(shù)據(jù)
在擴散硅壓力傳感器的工作溫度范圍內(nèi)（-35℃～85℃），每隔一定溫度取一個溫度點，共m 個溫度點，并在每一個溫度點下采集壓力變送器在滿量程范圍內(nèi)的n 個壓力點的測量壓力值，則有m*n 個測量壓力值。然后通過m 個溫度值、n 個標準壓力值、m*n 個測量壓力值求解高階溫度補償模型的補償系數(shù)，求出補償系數(shù)后，把補償系數(shù)寫到硅壓力變送器的存儲單元中保存，以實現(xiàn)對擴散硅壓力變送器的溫度補償。根據(jù)式(2) 數(shù)據(jù)，可得到m*n 個關(guān)系式：
式(5) 轉(zhuǎn)換成矩陣形式如下：
/////
設(shè)式（6）中, 則有
2.3 利用最小二乘回歸算法計算壓力的溫度補償系數(shù)。根據(jù)式（7）工控機利用軟件MATLAB 中的函數(shù)[CPT,CPint, b, bint, state]=regress(PT, A, 0.05) 即可求出溫度補償系數(shù)CP。
3 溫度補償方法的實現(xiàn)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(nèi)每隔10℃選取一個溫度點，共有13 個溫度測試點（m=13）。在每個溫度點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(shù)據(jù)。
表1 中的第一行為溫度值，第二行為壓力變送器在0bar 壓力時各個溫度下的測量壓力值，第三行為壓力變送器在0bar 時各個溫度點的壓力滿量程誤差。第四行為壓力變送器在0.5bar 壓力時各個溫度下的測量壓力值，第五行為壓力變送器在0.5bar 時各個溫度點的壓力滿量程誤差。第六行為壓力變送器在1.0bar 壓力時各個溫度下的測量壓力值，第七行為壓力變送器在1.0bar 時各個溫度點的滿量程誤差。
根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，可以得到矩陣A 和，根據(jù)式，工控機調(diào)用MATLAB 中的最小二乘回歸算法函數(shù)regress，即可求出壓力變送器的溫度補償系數(shù)CP00 ～ CP44，如表2 所示。求出溫度補償系數(shù)后，工控機通過HART 通訊把溫度補償系數(shù)傳到壓力變送器內(nèi)，根據(jù)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(shù)據(jù)。
從表1、表3 數(shù)據(jù)可以看出，未進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 時滿量程誤差為0.81%，而采用高階溫度補償模型進行補償后的溫度漂移明顯減小，在-35℃～ 85℃的溫度范圍內(nèi)，壓力變送器的滿量程誤差為0.07%，擴散硅壓力變送器補償后的滿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(nèi)，溫度漂移控制在0.075% 以內(nèi)。
4 結(jié)論
采用高階溫度補償模型，并利用最小二乘回歸算法求解高階溫度補償模型系數(shù)的方法實現(xiàn)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)品在國際市場競爭力等方面都具有非常重要的意義。
擴散硅壓力變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但容易受溫度影響，導(dǎo)致零點漂移和靈敏度漂移。因此需對擴散硅壓力變送器進行溫度補償。本文提出了一種軟件補償方法，首先建立擴散硅壓力變送器與溫度的高階溫度補償模型，工控機利用最小二乘回歸算法（PLSR）求出壓力變送器的溫度補償系數(shù)，通過HART通訊把溫度補償系數(shù)發(fā)送到壓力變送器中，壓力變送器通過高階溫度補償模型就可實現(xiàn)對擴散硅壓力變送器的溫度補償。關(guān)鍵詞：擴散硅壓力傳感器；溫度補償模型；最小二乘回歸法
0 概述
擴散硅壓力變送器具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，但容易受溫度影響，導(dǎo)致零點漂移和靈敏度漂移[1]。測量值和真實值存在著誤差，因此溫度補償問題是提高傳感器性能的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。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(diào)試困難、精度低、成本高、通用性差等缺點，不利于工程實際應(yīng)用；軟件補償能夠克服以上缺點，也逐漸成為研究熱點[3]。
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、曲線曲面擬合方法等[4]。查表法需要占用很大的內(nèi)存空間，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、訓(xùn)練時間較長等缺點，不利于工程應(yīng)用。本文采用最小二乘回歸算法，占用內(nèi)存少，運算速度快，可提高壓力變送器的輸出線性度和精度，提高了壓力變送器在全溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠性。
1 溫度補償系統(tǒng)原理
擴散硅壓力變送器的溫度補償系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示，圖1 以兩線制帶HART 通訊的壓力變送器為例。工控機通過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GPIB 總線對溫控箱進行溫度調(diào)節(jié)。氣泵、增壓泵和壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供壓力，工控機通過壓力檢測系統(tǒng)檢測氣體的壓力值，并根據(jù)此壓力值調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供穩(wěn)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(diào)制解調(diào)器串在24V 供電電路里。當溫控箱穩(wěn)定在某一溫度下，壓力控制系統(tǒng)為壓力變送器提供一個穩(wěn)定的標準壓力，工控機就可以通過HART 調(diào)制解調(diào)器讀取溫控箱內(nèi)每個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
通過對擴散硅壓力變送器的特性研究和大量的實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，擴散硅壓力變送器的壓力值隨溫度變化滿足一定的規(guī)律[5]，基于該規(guī)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(shù)；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(shù)據(jù)
在擴散硅壓力傳感器的工作溫度范圍內(nèi)（-35℃～85℃），每隔一定溫度取一個溫度點，共m 個溫度點，并在每一個溫度點下采集壓力變送器在滿量程范圍內(nèi)的n 個壓力點的測量壓力值，則有m*n 個測量壓力值。然后通過m 個溫度值、n 個標準壓力值、m*n 個測量壓力值求解高階溫度補償模型的補償系數(shù)，求出補償系數(shù)后，把補償系數(shù)寫到硅壓力變送器的存儲單元中保存，以實現(xiàn)對擴散硅壓力變送器的溫度補償。根據(jù)式(2) 數(shù)據(jù)，可得到m*n 個關(guān)系式：
式(5) 轉(zhuǎn)換成矩陣形式如下：
/////設(shè)式（6）中, 則有
2.3 利用最小二乘回歸算法計算壓力的溫度補償系數(shù)。根據(jù)式（7）工控機利用軟件MATLAB 中的函數(shù)[CPT,CPint, b, bint, state]=regress(PT, A, 0.05) 即可求出溫度補償系數(shù)CP。
表1 中的第一行為溫度值，第二行為壓力變送器在0bar 壓力時各個溫度下的測量壓力值，第三行為壓力變送器在0bar 時各個溫度點的壓力滿量程誤差。第四行為壓力變送器在0.5bar 壓力時各個溫度下的測量壓力值，第五行為壓力變送器在0.5bar 時各個溫度點的壓力滿量程誤差。第六行為壓力變送器在1.0bar 壓力時各個溫度下的測量壓力值，第七行為壓力變送器在1.0bar 時各個溫度點的滿量程誤差。
根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，可以得到矩陣A 和，根據(jù)式，工控機調(diào)用MATLAB 中的最小二乘回歸算法函數(shù)regress，即可求出壓力變送器的溫度補償系數(shù)CP00 ～ CP44，如表2 所示。求出溫度補償系數(shù)后，工控機通過HART 通訊把溫度補償系數(shù)傳到壓力變送器內(nèi)，根據(jù)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(shù)據(jù)。
從表1、表3 數(shù)據(jù)可以看出，未進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 時滿量程誤差為0.81%，而采用高階溫度補償模型進行補償后的溫度漂移明顯減小，在-35℃～ 85℃的溫度范圍內(nèi)，壓力變送器的滿量程誤差為0.07%，擴散硅壓力變送器補償后的滿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(nèi)，溫度漂移控制在0.075% 以內(nèi)。
4 結(jié)論
采用高階溫度補償模型，并利用最小二乘回歸算法求解高階溫度補償模型系數(shù)的方法實現(xiàn)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)品在國際市場競爭力等方面都具有非常重要的意義。
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