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压力传感器的热零点漂移补偿与非线性修正.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.09M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    文摘
    英文文摘
    第一章绪论
    §1-1压力传感器的发展与现状
    1-1-1压力传感器的发展历史
    1-1-2压力传感器的发展现状
    §1-2压力传感器的发展方向
    §1-3本论文的主要研究内容
    第二章压力传感器的零点特性及其补偿技术
    §2-1压力传感器的热零点漂移特性
    §2-2压力传感器零点输出信号的电漂移特性
    §2-3压力传感器的零点输出及其补偿技术
    第三章压力传感器的非线性补偿
    §3-1传感器的非线性
    §3-2三种算法在压力传感器修正中的应用
    3-2-1查表法
    3-2-2曲线拟合算法
    3-2-3神经网络算法
    第四章信息融合技术在压力传感器中的应用
    §4-1多项式拟合算法的实现
    §4-2融入温度信息的压力解析表达式
    §4-3结果分析
    第五章压力传感器零点补偿与非线性修正的实现
    §5-1传感器数据采集与处理的硬件电路设计
    5-1-1温度传感器信号的提取
    5-1-2程控放大器
    5-1-3 ICL71 35及使用中应注意的儿个问题
    5-1-4单片机与计算机及LED的接口
    §5-2压力传感器热零点补偿与非线性算法的实现
    第六章结论
    参考文献
    致谢
    河北工业大学硕士学位论文压力传感器的热零点漂移补偿与非线性修正姓名：赵彦晓申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：孙以材2003.3.1
    河北T=业人学坝上学位论文压力传感器的热零点漂移补偿与非线性修正摘要压阻型扩散硅压力传感器以其低价格得到广泛应用，基于单片机技术的智能压力传感器以其使用方便，测量精确而得以推广。压力传感器的核心是扩散硅电阻桥，智能压力传感器应用单片机技术采集数据、处理并输出显示结果。扩散硅的压阻系数是温度的函数，所以存在灵敏度温漂，而影响温度的因素是多方面的：测量环境的变化，测量电路产生的热量的影响等等，所以要想得到比较精确的压力值，必须对压力传感器进行校正。压力传感器的零点存在热漂移、电漂移和时间漂移，减小压力传感器的热零点漂移的措施是各力敏电阻的电阻值及其温度系数的相等性。本论文应用曲线拟合方法校正零点，降低成本且精确度提高。压力传感器的压力灵敏度与压阻系数成比例关系，而压阻系数是温度的函数，所以非线性补偿的实质是消除温度对灵敏度的影响。可应用的方法很多：二极管补偿法，恒流源补偿法，热敏电阻补偿法等。本论文应用曲线拟合技术，融入温度信息，得出带有温度信息的压力解析表达式，此方法简化硬件电路且可实现自校正自补偿功能。本论文根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理，设计出了测量压力传感器的硬件电路及软件编程，应用单片机技术测量电路简单，成本低，应用面广，但是由于半导体本身的特点其测量结果仍存在一定的误差。关键词：零点补偿，灵敏度温漂，曲线拟合，信息融合，单片机
    ^山{专感；!}}的热零点漂移补偿’01r线性修正TheThermalDriftCompensationAndNonlinearityReviseofthePressureSensorAbstractPressuresensorsarewidelyusedbecauseofalowprice．Theintelligentpressuresensor,basedonmicroprocessortechnique，arepopularizedbecauseofconvenienceandaccuratemeasurementSiliconresistanceisthecoreofpressuresensor，Anintelligentpressuresensoracquires，processesdatabyusingmicroprocessortechniqueThepiezoresitivecoefficientofsiliconisafunctionoftemperatureandSOtheoffsetdriftandsensitivitythermaldriftoccur．Thefactorsaffectingontemperaturearevarious：thechangeofmeasurementenvironment，theheatofthemeasurementcircuitandSOon．Ifwewanttogetaccuratepressurevalues，theymustberevised．Thesensoroffsetisgovernedbyitsthermaldrift，electricdriftandtimedrift，SOeliminatingtheoffsetthermaldriftinthemeasurementofsensorsrequirestokeepthevaluesofresistanceandtemperaturecoefficientfordifferentresistorstripstobeequaleachother．ThispaperwilldiscusshowwecartrevisetheoffsctbycuivematchingSOthatthesensorpricewillfallanditsaccuracywillbeimproved．Thepressuresensitivityisproportionaltothepiezoresitivecoefficientandthelaterisafunctionoftemperatures，SOaftereliminatingsensitivitythermaldrift，thenonlinearityCanbesubstantiallycompensate．Themethods，diodecompensation，constantcuryentcompensation，thermalsensitiveresistorcompensationandSOonarewidelyused．Thispaperhasgotananalyticalexpressionwithtemperatureinformationbycurvematchingtechnique，bythismeans，wecannotonlypredigesthardwarecircuitbutalsorealizethefunctionofselfrevisionandselfcompensation．Inaddition，basedsensorthermaldriftandnonlinearityprinciple，thispaperhasdesignedintelligentsensorhardwarecircuitandeditedaSOftWareprogram．Thecircuitwithmicro—processissimpleandcheap，thoughtheresulthasstillalittleelTOEKEYWORDS：offsetthermaldrift，sensitivitytemperaturedrift，curvematching，informationfusion，microprocessor
    河北工业大学烦上学位论文第一章绪论§1—1压力传感器的发展与现状传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。现代信息技术的三大基础是信息采集、传输和处理技术，即传感器技术、通讯技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端，仅此而言，传感器了称得上尖端技术。1-1．1压力传感器的发展历史硅单晶材料优良的压阻效应与完美的微加工技术相结合B。l，被广泛用于制各压力传感器。现以薄膜压力传感器为例来说明传感器的发展过程lll[41半导体传感器的发展可以分为四个阶段pl：(1)发明阶段(1947～1960)：这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体及设备的特性得到了广泛应用。史密斯(C．S．Smith)于1945年发现了硅和锗的压阻效应101，即当有机械力作用于半导体材料时，其电阻发生变化。依据此原理制成的第一个压力传感器是把硅和锗应变电阻片粘在金属簿膜上，将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为lem。(2)基础技术发展阶段(1960～1970)：为提高传感器的性能，应变片被直接扩散在硅杯的底面簿膜上。用硅杯代替金属膜。这个阶段也是“商业和市场发展的阶段”，即把技术研究变为实际应用。此阶段最小加工线度为0．5cm。(3)批量加]：阶段(1970～198(3)：采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片的性能。由于腐蚀可以在整个表面进行，因此，数百个传感器膜片可以一批加工完成。这一阶段类似于集成电路的制作。由于表面光刻技术的发展，加工尺寸十分精确，加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。此阶段最小加工尺寸为0．2cm。(4)微机械加工阶段(t980～今)：微机械加工工艺适应于结构型传感器，或线度在微米级(1O～6um)范围的其他结构。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，标志着传感器已进入了微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为0．02em。1-1．2乐力传感器的发展现状开发耐高温的压力传感器111主要是以新型半导体材料(SiC)为膜片的压阻式力传感器为代表。ziermann．Rene和VonSerg，Jochen等人首先1997年报导了使用单晶n型B—SiC材料制成的压力传感器，这种压力传感器1：作温度可达573K，耐辐射。在室温F，此压力传感器的灵敏度约为20．2muV／VKPa：Okojie，Roberts和Ned，A1exanderA等人1997年报导了可工作在500"C条件F的6H—SiC压阻式力传感器，它的满量程输出范围(FS0at1000PSi)可达40．66mV(23"C)和20．03mV(500"C)，线性度可达一0．17％，电阻的温度系数(TcR)为一025％／℃(100"C)和一0．05％／℃(500．℃)，TCGF(Temperaturecoefficientofgaugefactor)为一0．19％／'C(100℃?)和一0．11％／'C(500"C)。
    压力传感器的热零点漂移补偿+J1F线雌修正微机械加．L的压力传感器主要是以微机械加工为标志的，线度大约在1～2mm左右的微型压力传感器，这种压力传感器由于体积很小，可以放置于人体的重要器官(如：血管、眼睛等)内进行有关数据的采集。Hacho]，Andrzej：Dziuban，JanBochenek，Andrzej1996年报导了他们研制的用于测量眼压的眼压计，其膜片直径为1mm。在内眼压力(IOP--Intraocularpressure)为60mmHg时，静态输出为40mY，灵敏度系数亦较高；Marco，S和Samitier，J等人于1997年也报导了使用极簿膜片构成的高性能、用于生物学研究的压阻式力传感器，主要用于血管压力测量。温度漂移的补偿由于温度是影响压力传感器线性度的主要原因，温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题，近年来发表此方面的论文也比较多，归纳起来有两大类：其一是利用双惠斯登电桥结构对温度漂移进行补偿，如：Lee，Young-Tac和Seo，}tee—Don等人提出的利用双惠斯登单臂电桥结构补偿法；llou，Chenggui提出的双电桥制成的压力传感器，利用双电桥来改善压力传感器的灵敏度，消除零压输出，减小灵敏度温度漂移已得到了实现等。其二是利用线性电压激励，使压阻式力传感器的灵敏度改变得以补偿。Gakkested，Jakob：Ohlckers，Per和Halbo，Leif成功地实现了这～设想。对温度变化引起的灵敏度和线性度漂移利用软件或硬件进行补偿同样取得了良好的效益。目前，传感器在很多方面存在严重不足，因结构尺寸大，时间(频率)响应特性差；输入一输出特性存在非线性，且随时间漂移；参数易受环境条件变化的影响而漂移等。§l-2压力传感器的发展方向1、向高精度发展：随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求IfJ。2、向高可靠性、宽温度范围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设各的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其：[作范围都在一20℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在一40。c～85。C范围，而汽车锅炉等场合要求传感器[作在一20。C～120。c，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料(如陶瓷)的传感器将很有前途。3、向微型化发展：各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较人、稳定性著、寿命也短，而利用激光等各种微细加[技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较盘，。4、向微功耗及无源化发展：传感器一般都是非电量向电量的转化，1‘作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或}{j太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源义可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放人器，静态功耗只有1．5mW，而1．作电压只需2～5V。
    }Ll』北丁业人学坝L学位论文5、向智能化数字化发展：随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号(如O～lOmV)，而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器18】。§1—3本论文的主要研究内容用半导体硅集成电路工艺制备压力传感器已有30多年历史了。在压力传感器发展之初，主要利用其大批量生产的特点，可以得到大量廉价的压力传感器，但其精度不如一般小规模生产的经典的测压元件或仪表。因此初期，压力传感器主要用于精度不太高，价格便宜的场合。但随着市场需求以每年20％的速度增长，并且国际上厂家间的市场竞争十分剧烈，各国都投入大量资金．大力去研究提高传感器的性能，在半导体压力传感器生产中普遍采用了CAD、CAIVl、CAT、微机械加工和成熟的集成电路工艺。压力传感器己做到了小型化、集成化、系列化、智能化和标准化。精度可达0．05％～0．OI％，年稳定度达0．1％FS。温度范围不断扩大，可达几百度，耐压可达几百MPa。过压保护范围大于传感器量程20倍以上。所以改善传感器的性能是一个很重要的研究课题。本文针对扩散硅材料本身的特性导致传感器的零点温漂和非线性，从以下几个方面讨论了解决的办法：(1)压力传感器的零点存在时间漂移、电漂移和热漂移，其根本原因是因为力敏电阻的热漂移和热稳定性造成的，本文讨论了压力传感器的零点热漂移原因和电漂移特性，应用信息融合技术及多项式拟合算法实现压力传感器的零点补偿。(2)压力传感器的非线性漂移是因为力敏电阻的灵敏度和零点以及力敏电阻本身的非线性造成的，本论文应用信息融合技术，推导出融入温度信息的压力测量多项式，并除去零点漂移，测量的每一个压力值都是融入温度信息的压力值。(3)本文针对压力传感器的热零点补偿和非线性修正原理，设计出测量压力的硬件电路及软件编程，简单实用。
    t儿传感器的热零点漂移补偿’J1睦％性修正第二章压力传感器的零点特性及其补偿技术§2-1压力传感器的热零点漂移特性压阻型压力传感器中四个力敏电阻构成图2．1所示的电桥。当电桥用％激励时，电桥的输出为图2．1力敏电阻电桥Fi92．1Piezoresitivebridge【，州睾+-心D-)地峨f2．1)u。=V。SKO一．称为压力尸=o时的零点输出，u。=％等，称为有效输出信号，与压力JD成正比。式中So=R．R3一R2R4为电桥的不平衡量。丛=2AR，(RlR3+R2R4)／R4为压力引起的电桥不平衡量，△R，／R,=kP与压力P成iEkL。K=(Rl+△尺l+R2一触2)(R3+AR3+R4一AR4)。住考虑热零点漂移时，P=0，△S=0，因此
    河北工业大学颅J学位论文‰：％粤^当％恒定时，热零点漂移—OU—o：堡—aS—o一—VBS—odK—dK—：—UocO—So一—Uod—K‘OTKOTK2dTSoOTKdT其中R=R0，(1+口。r)(i=1—4)(2．2)(2．3)K=(RI+R2)(R3+R4)=K。+(R03+R04)(口jR。l+口2R。2)T+(R。1+R。2)(口3R03+口4R。4)T坐兰志+轰+矗+鑫一1KOTR22池妈妈妈，一l+。l+堕。1+鱼’l+堕”…％一3～47R1R2R3R4上旦墅：竺!±竺!+竺2±竺!SoOT1一些1一盟RlR3R2R4妾筹项对警㈣眦il万dK更为骚瓠心、R3咖差不姗可将土K坚dT项的影响略去，则百OUo=iVB而OSo=鲁×【(口。+啪R’R03一@：+口。)R02R041=警人(2．4)式中A=[@．+％)R。I曰。3一@2+口4)R02R。一]。A值是热零点漂移的决定因素。可见减小压力传感器的热零点漂移的措臆是各力敏电阻的电阻值及其温度系数的相等性【”。§2—2压力传感器零点输出信号的电漂移特性由扩散硅构成的压力传感器力敏电阻电桥，其零点输出信号通常存在电漂移现象Il01”】：在某一桥压V。o时，可通过调整桥臂电阻使零点输出Uo为零，即UoI圪o=0，但auo／a圪l≠0，将这一现象称为零点输出的电漂移。它起因于扩散电阻的非线性。通常人们在电桥上加恒压源或恒流源，因而电漂移问题常被忽视。实际上，冈为电源电压的波动，时漂也会造成压力传感器零点的波动和时漂，影响测量精度，应引起人们足够重视。我们也提出了_L|j图2．2所示的白平衡电桥11”及相应简单电路112,13]可_Ef；J以消除压力传感器的热零点和热灵敏度漂移。对下图2．2所示白平衡电桥补偿电路来说，传感器输出信号U有电位器P3和P2中央抽头端输出，即U=V，．v3．但是，对于扩散硅构成的力敏电阻压力传感器来说，零蛀喻乜糖靖百‘外龟濒N。。仍然存-柱龟漂移。具体讲，对予桑一外抽电匾YCC=-qcco，仍有
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