智能传感器系统的温度误差补偿与非线性校正措施总结

当测量精度要求较高时，在软件自补偿中采用监测技术，可以消除系统外部参数等干扰引起的误差。

温度是最主要的干扰。使用结构对称法，通常能够消除传统传感器温度引起的干扰：而初级智能传感器常采用硬件电路补偿法，效果仍达不到实际的测量要求。智能传感器系统可以先监测干扰量，再借助软件使系统误差得到补偿。

当下，压阻式压力传感器的应用比较广泛。另外，压阻式压力传感器是最早进行集成化和智能化的一种传感器，由半导体材料制成，并且容易受到温度变化的影响，下面以它为例介绍典型的自补偿方法。

为了消除某个干扰量的影响，通常选择放置对该干扰量敏感的传感元件进行监测。而放置测温元件监测传感器的工作温度是为了消除温度干扰量对压力传感器性能的影响。对压阻式压力传感器而言，可借助“一桥二测”技术，由其自身提供温度信号。

利用压阻效应原理，由4个压敏电阻组成的全桥差动电路如图6-2所示。如果选择恒流源供电方式，电源端A、C点之间的电位差UAC表示温度输出信号，UBD表示测压输出。当输出端B、D后接高阻放大器时，可当作开路，则A、C两端的等效电阻RAC为：

图6-2　基于压阻效应的压力传感器电路原理图

在理想条件下，四臂电阻的初值应该相同（均为R）。当被测压力P引起各臂电阻呈现差动变化时，由温度干扰量引起的各臂电阻的改变量是相同的，在压力P与温度T的作用下，各桥臂的阻值可以表示为：

代入式（6-2）得等效电阻RAC为：

式中，I为恒流源的电流值；R为压力传感器桥臂电阻初值；ΔRT为温度干扰导致的桥臂电阻改变量。

可见，UAC随ΔRT的改变而改变，是温度的函数。因此，只要标定特性，由监测电压UAC和UAC-T关系曲线就可以知道压力传感器的工作温度T。所以，由一个压力传感器能够获得2个有关同一空间位置的参量的信号，而且该温度信号可以真实地反映压力传感器所在之处的温度，这是因为二者是同一体。

现将可以在进行温度补偿的同时进行非线性校正的措施总结如下。

（一）多段折线逼近法

1.零位温漂的补偿

输入量为零时，传感器的输出值Uo随着温度进行漂移。如果传感器的类型、型号和生产厂家不同，那么其零位温漂特性（Uo-T）也会不同。所以，传感器的Uo-T特性的重复性可以补偿零位温漂。

与一般仪器消除零点的思想完全一致，其补偿的基本思想是传感器的工作温度如果为T，那么应在传感器输出值U中减去温度为T时的零位值Uo（T）。所以，事先测出Uo-T特性并保存于内存中十分关键。

大多数传感器的Uo-T特性呈严重非线性，如图6-3所示，故由温度T求解该温度的零位值Uo（T），实际上与非线性校正的线性化处理问题相同。

图6-3　大多数传感器的Uo-T特性呈严重非线性(www.xing528.com)

2.灵敏度温度漂移的补偿

（1）补偿原理。对压阻式压力传感器而言，若输入压力保持不变（P为常量），则U（T）随温度的升高呈现下降趋势，如图6-4所示，温度T＞T1时，若传感器校准时的工作温度为T1，而实际工作温度T＞T1，如果由T1时的输入（P）-输出（U）特性来求取P，测量误差可能较大。当输入量为P，工作温度T升高（T＞T1）时，传感器的输出由U（T1）降至U（T），工作点由B点降至A点，输出电压的减少量可记为：

由此可知，将工作温度为T时测得的传感器输出量记为U（T），给U（T）值加一个补偿电压之后，再按照U（T1）-P反非线性特性变换刻度，以求取输入量压力值（记为P）。问题归纳如下：如何在不同的工作温度T下获得所需要的补偿电压ΔU。

图6-4　压阻式压力传感器的灵敏度温度漂移

（2）分段得到补偿电压。根据实验标定的数据可知，如果温度T不变，那么输入（P）-输出（U）将出现非线性变化，当P不变时，其特性也呈现出非线性状态。因此，采用直线分段逼近曲线的方法，可以求得补偿电压ΔU。求出补偿电压ΔU=ΔU（T，T1）后，按式（6-4）计算出U（P，T1），则P值可由温度为T1时的输入（P）-输出（U）特性的反非线性特性求出。

（二）曲线拟合法

1.补偿原理

在不同的工作温度下，传感器的输入（P）-输出（U）特性也不同。若工作温度为T时，能够确定P-U特性，并且从原理角度来看，按照其反非线性特性获得的P值能够消除温度导致的系统误差，但通过实验只能在小范围内的温度值下进行标定。因此，通过曲线拟合法可以计算出在较大温度范围内温度T下的P-U特性。

2.补偿原理与措施

（1）运用标定实验数据，将各温度下的输入（P）-输出（U）值用一维多项式方程表示为：

式中：U0（T1），U0（T2），…，U0（Ti）分别表示传感器在各温度下的零位值；U（T1），U（T2），…，U（Ti）分别是对应各参考点温度修正后的传感器的输出值。

运用标定实验数据求解各温度下多项式的方程系数，则式（6-5）中各个方程式可解。

（2）建立系数β的曲线拟合方程。式（6-5）中各系数βi随温度而变化的规律通常不是线性的，用一维多项式方程进行求解可知：

利用实验标定数据可求解出式（6-6）中的各系数：A1，…，A5；B1，…，B5；C1，…，C5；D1，…，D5，所以式（6-6）可解。

（3）确定温度T时P-U特性的曲线拟合方程。读入UAC与U（U，T）。求出工作温度T的数值后将该值代入方程式（6-6）中，进而计算出该工作温度状态的各项系数β1，β2，…，β5，可确定在温度T下，P-U特性的多项式如下：

根据式（6-7）的反非线性特点，可由读入的传感器输出U（P，T）解得被测输入量P。此P值是由其工作温度T状态的输入-输出特性求解的，故原理上不存在温度误差。