零点漂移的补偿方法在压力传感器中的使用

吉世成

摘 要：目前各行业应用的多数压力变送器是利用压阻式扩散硅压力传感器作为信号的传送环节。但由于技术等多方面限制的原因，压阻式压力传感器易受现场温度变化的影响，从而产生零点漂移。文章针对此问题进行了探讨。

关键词：压力变送器；零点漂移；补偿

变送器作为重要的基础自动化仪表被广泛应用于工业现场的传送与检测过程。从目前各个国家的研究情况及市场需求来看，压力传感器的发展主要集中在以下几个方面：（1）着重研发适用于高温作业的压力传感器：这类传感器以新型半导体材料为膜片的压阻式压力传感器为代表；（2）以微机械加工为特点的压力传感器得以发展：这一类压力传感器有着较高的线性度，通常制作成微型、甚至是超微型传感器并广泛应用于医学领域的器官数据采集中；（3）以热零点漂移为代表的补偿问题受到关注：在传感器的应用过程中，一直存在传感器的线性度等受到温度影响而发生漂移的问题。未来的传感器发展的趋势必定是朝着“五化”前进，即小型化、集成化、智能化、系列化、标准化。

1 工作特性及其零点漂移

1.1 静态特性指标

压力传感器主要有以下几种静态性能指标：（1）静态灵敏度。传感器被测量的单位变化量引起的输出变化量称为静态灵敏度，是重要的性能指标。它可根据传感器的测量范围、抗干扰能力等进行选择：特别是对传感器的敏感元件，其灵敏度的选择尤为关键；（2）线性度。理论上来说，传感器的静态特性是一条直线。但实际上，由于种种原因传感器的实测输入/输出关系并不是一条直线。因此传感器实际的静态特性的校准特性曲线与某一参考直线不吻合程度的最大值就是线性度；（3）零点漂移。当传感器的输入和环境温度不变时，输出量随时间变化的现象就是漂移。它是由于传感器内部各个环节性能不稳定，或内部温度变化引起的，是反映传感器稳定性的指标。

1.2 压阻式压力传感器的工作原理分析

利用压阻式变换原理可以制成压敏电阻。压敏电阻可以感受物体受力，产生的应变力让压敏电阻的阻值发生变化。通过电桥进一步将电阻变化转化为电压或者电流的变化。利用压阻式变换原理制成的传感器即为压阻式传感器。半导体材料的压阻效应：当固体受到作用力后其电阻率会发生变化。这一现象称为固体的压阻效应。用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻。扩散型硅压力传感器运用的正是这种效应，在半导体材料中的应变系数远大于金属片的应变系数，而且其应变系数的变化主要是由电阻率的相对变化引起的。压阻式压力传感器主要优点是：压阻系数很高，分辨率较高，动态响应好，但其最大缺点就是压阻效应的温度系数大，存在较大的温度误差。

1.3 压阻式压力传感器的热零点漂移问题的研究

1.3.1 压阻式压力传感器零点漂移的表示

由于压敏电阻制造工艺的不一致性，因此温度零点漂移系数不是一个定值。它在不同的温度区间有不同的值。通常也可以规定为某个温度范围内零点输出占满量程输出的比例（±百分数）或最大温度零点系数（即零点输出温度变化的最大斜率）。一般该系数取值不能超过传感器精度值。

1.3.2 零点热漂移产生原因的半导体理论分析

只有当电阻的掺杂浓度和阻值一致时才能使电桥的零点输出电压小，零点热漂移也小。这对提高传感器的性能十分有利。但是扩散时掺杂分布不易做到均匀，因此要求压敏电阻条越接近越好，越短越好。

1.3.3 零点热漂移产生原因的电路分析

理想的情况下，组成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值应该是相等的。零点温度漂移的产生是由于扩散电阻的阻值随温度变化引起的。在一定的温度范围内，电阻值随温度的增加而增加，即扩散电阻的温度系数R为正值。

2 热零点漂移的补偿技术

从整体上来分，压力传感器的零点漂移补偿可以分为硬件补偿和软件补偿两大方向。

2.1 硬件零点补偿方法

对压力传感器而言，硬件补偿方法有在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法，桥臂热敏电阻补偿法，桥外串、并联热敏电阻补偿法，双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。

2.2 软件补偿零点漂移方法

在信号采集过程中，在触发信号未发生到触发采集以及在采集结束后的这些时间段里，输入的信号为零，输出的信号不为零。这种采集到的输出数据以随机噪声的形式存在，对于数据的计算与处理是没有意义的。我们定义这段时间里采集到的信号值称之为零点漂移。所采取的软件方法有：多项式拟合规范化法。由于在实际测量中，压力传感器所测量的温度、压力等物理量不会与输出值是严格的线性关系，因此其函数关系常常是多项式形式。多项式可用于非线性信号的拟合，关键在于求解其各项系数；RBF神经网络法。基本原理：通常零点温度补偿软件算法中公式法较复杂，拟合精度常会受到限制。人工神经网络法具有使用的样本数少、算法简单、具有任意函数逼近能力、应用前景良好。此外软件法还包括查表法、插值法等。还有一些厂家从传感器本身的特点出发，采用特殊技术，如改变掺杂浓度等，或者采用自校准技术来解决零点漂移的问题。