高温压力传感器的高低温补偿电路说明
日期：2021-07-04
1.说明
近年来，普遍高温压力传感器已广泛应用于石油化工、能源电力、航空航天。因此，提高测量精度是可能在各个行业中发挥着越来越重要的作用，尤其是那些遇到高温环境。目前的应用中，传感器将提供一致的性能，在这种情况下，高达220°C.温度升高下精度然而，在传感器的输出电压连续漂移是必然的，因为压力与温度的增加而增加，而压阻系数减小，而影响测试精度。因此，它是实现高温压阻式压力传感器温度补偿的关键有效。主要的测量原理，通过高温压阻式压力传感器采用惠斯登电桥。一个惠斯通电桥的输出电压必须在偏置电压的偏移补偿，温度系数和灵敏度温度系数。目前桥梁的温度补偿方法可分为硬件，软件，或混合技术。硬件方法通常使用一个额外的热敏电阻，一个低温度系数电阻网络、二极管、三极管、可调增益运算放大器，等等。该软件的方法是基于数据处理根据反函数的算法和人工神经网络。混合动力技术相结合的硬件和软件来获得更高的补偿精度的方法。与其他技术相比，硬件补偿更简单、更高效、更经济、更容易实现工业生产和制造；因此，硬件补偿广泛应用。在这项研究中，我们描述了一种无源电阻的温度补偿技术，采用低温度系数电阻网络。不像其他的硬件方法，这就要求补偿电路在相同的温度场为桥臂电阻压敏电阻，我们被动温度补偿电路不需要在桥臂的压敏电阻的工作温度，使包装更灵活方便。此外，该方法的补偿精度是独立的补偿电路和桥臂压敏电阻之间的温度差。一个典型的低温度系数电阻网络模型电路图所示图1
图1在一个低温度系数电阻网络典型的补偿电路。
传统的理论补偿公式的失调电压和失调温度系数给出了方程（1）和（2），分别；灵敏度的温度系数的补偿公式给出了方程（3）。
其中RB是桥臂电阻，TCRB是R的温度系数B、V操作系统是桥的输出电压为零，和α是输出电压灵敏度温度系数，这些方程假设四桥臂电阻及其温度系数具有几乎相同的初始值，而忽略了由制造过程中引起的残余应力的影响。否则，补偿用于偏移和灵敏度温度系数是无效的。相反，无源电阻温度补偿算法，提出了在下一节中使用的实际测量数据，并且是独立的残余应力和残余偏差在桥梁参数。这一结果在较高的补偿精度和广泛的适用性。
RS=KRB
（1）
RP二=（一 K）（一 K−−−−−√ 一）KRB≈二RBK，K=四v操作系统vB
（2）
RP一=−aaTCRBRB
（3）
2。无源电阻温度补偿原理
无源电阻温度补偿是基于假设的被动性与温度无关。这意味着，被动的电阻温度系数应小于该桥臂电阻10%。在这种情况下，被动的电阻温度系数可以忽略。作为一个典型的硅压敏电阻的温度系数大于2000 ppm [九]，被动的电阻温度系数应小于200 ppm。
2.1。偏置电压和偏置温度系数补偿
该桥臂电阻的温度T可以表示为：
RT=R零【一 aR（T−T零）]
（4）
温度系数的表达式αR给出了：
aR=RT−R零R零×一T−T零
（五）
补偿可以通过桥臂电阻的温度系数修正完成。这可以通过使用简单的电路技术与无源并联或串联电阻元件的电阻与温度无关。
图2阐述了电阻G系列配置，具有近零电阻温度系数。G和R的温度系数TαR G，如方程（6）。方程的比较（5）和（6）表明，αR G小于αR。这意味着一系列补偿电阻桥臂电阻的温度系数是小于的桥臂电阻本身。
aR G=（RT G）−（R零 G）R零 G×一T−T零=RT−R零R零 G×一T−T零
（6）
图2对于桥梁偏移输出电压补偿串行连接。
图3显示并联电阻的总电阻的温度系数G G和R的位置Tαr‖g，如方程（7）。与方程的比较（5）表明，αr‖g小于αR，这意味着一个补偿电阻是小于的桥臂并联电阻本身的桥臂电阻的温度系数。
在符号“‖”表示两个电阻连接在一个平行的关系。
aR∥G=RT∥G−R零∥GR零∥G×一T−T零=GR零 G（RT−R零R零×一T−T零）=一RTG 一×aB
（七）
图三对于桥梁偏移输出电压补偿并联。
从以上分析，我们可以推断，增加或减少串联补偿电阻并联补偿电阻可以减少与补偿电阻桥臂电阻的温度系数和调整偏移。这是对失调电压和偏置温度系数补偿原则。
2.2。的灵敏度温度系数补偿
灵敏度温度系数可以补偿使用串行温度独立电阻RS一个恒定电压下，如图4一、与温度无关的电阻R并联P恒流电源，如图所示图4B.
图4电桥灵敏度的补偿
为例说明图4一、电桥的输出电压是由方程（8），其中V进入是电源电压，RB（T）相当于桥臂电阻，S（t）是敏感的，和P是负载压力。随着温度的升高，RB（T）和S（t）减少增加。显然，其灵敏度温度漂移可以通过选择合适的r值补偿S根据方程（8）
v出=v进入（RB（T）RB（T） RS）×S（T）×P
（8）
一个简单的定性解释如何补偿电阻RS作品是，随着温度的升高，电桥的电阻RB（T）的增加，而电阻RS是一个接近零温度系数几乎不变。这导致在桥和桥输出电压增加电源电压的比例增加。的电阻RS是这样选择的，在桥的敏感性下降，随着温度的升高，可以通过温度补偿电桥的输出电压的增加。类似的解释可以应用于一个恒流电源的情况下，如图4B.
三.无源电阻温度补偿模型和算法
我们的无源电阻温度补偿模型是基于上述原则。作为一个简单的电源电路最适合于高温应用，通过高温压力传感器通常采用恒压电源。下面的描述与一个恒定电压无源电阻温度补偿模型和算法。图5说明模型
图5无源电阻温度补偿模型与一个恒定电压：（一初始负偏置电压；（）B）正初始偏移电压
传感器的输出电压：
其中K （T，P）和K—（T，P）是积极和消极的分压的因素，分别和VB（T，P）是桥的供电电压，可写成：
v出（T，P）=vB（T，P）×【K （T，P）−K_（T，P）]
（9）
vB（T，P）=v进入×RB（T，P）RB（T，P） RS
表1为补偿模型参数的测量。
补偿模型图5一个可以分析如下：
电桥电阻：
RB（T，P）=【R二（T，P） R三（T，P）]【RZ R四（T，P） R一（T，P）∥RP]
（11）
分压的因素：
K （T，P）=RZ R四（T，P）RZ R四（T，P） R一（T，P）∥RP
（12）
K_(T,P)=R3(T,P)R2(T,P)+R3(T,P)
（13）
输出电压表达式模型图5一个可以用方程（10）–（13）代入方程（9）。输出电压表达式模型图5B可以以类似的方式。这给了：
其中RZ，RP，RS该模型的参数是确定的，和RI(T, P) (i = 1, 2, 3, 4) are the known measurement parameter values in表1
VOUT(T,P)=VIN×[R2(T,P)+R3(T,P)]∥[RZ+R4(T,P)+R1(T,P)∥Rp][R2(T,P)+R3(T,P)]∥[RZ+R4(T,P)+R1(T,P)∥Rp]+RS×[RZR3(T,P)RZR4(T,P)+R1(T,P)∥Rp−R3(T,P)R2(T,P)+R3(T,P)]
（14）
根据桥的温度补偿的要求，无源电阻温度补偿算法可以写为：
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪TOUT(T0,P0)=U0 Compensation of offset voltage U0∂VOUT(V,P0)∂T=0 Compensation of temperature coefficient of offset∂VOUT(V,P1)∂T=0 Compensation of temperature coefficient of sensitivity
（15）
它可以从这些方程看出补偿偏置温度系数（灵敏度）要求传感器输出电压下的初（高）负载压力P零（P一）是独立的温度。这意味着V的偏导数出（T，P零）和V出（T，P一）相对于温度必须等于零。
R值Z，RP，RS在无源电阻温度补偿模型可以由方程（15）利用计算机软件如MATLAB
4。实验及数据处理
图6一个显示补偿高温压力传感器基于绝缘体上硅（SOI）材料，可以在220°标准的微机电系统的温度范围内长时间工作（MEMS）过程中图6B是用于制造压敏芯片。
图6研制的高温压力传感器及其制作过程：（一高温压力传感器；（）B微机电系统（MEMS）的制造过程。
未补偿的高温压力传感器可以用高温和压力校准装置显示在测试图7。该传感器是在20–220°C和百–2000 kPa范围校准。
图7高的温度和压力校准装置的研制。
测试结果显示在图8。由于MEMS压力传感器压阻的制作过程中或在热膨胀系数失配引起的残余应力之间的参数偏差，传感器的初始偏移电压是负的，随着温度的增加，输出电压明显降低，如图所示图8A.热零点漂移和热灵敏度漂移所示图8B，C的工作温度范围，总精度±18% FS（全尺寸），最大热零点漂移是−11% FS，和最大的热灵敏度漂移是−25%.。未补偿的高温压力传感器具有显着的参数漂移在整个工作温度范围内，这大大影响测量精度。
图8为补偿高温压力传感器测试结果：（一）在温度和压力环境下输出电压校准曲线；（B热零点漂移；（）C）热灵敏度漂移
传统的温度补偿模型和经验算法所示图1与方程（一）–（三）是用来补偿输出电压的温度。为补偿传感器的测试结果显示在图9。在工作温度范围内，可以看出，总精度±12 FS，最大热零点漂移是8的FS，和最大的热灵敏度漂移是−20 %。因此，传统的温度补偿效果较差。
图9为补偿高温压力传感器与传统的温度补偿模型和经验算法的测试结果：（一）在温度和压力环境下输出电压校准曲线；（B热零点漂移；（）C）热灵敏度漂移
无源电阻温度补偿模型和微分方程中推导出在20°C和220°C和负载压力200kPa和600 kPa温度阈值的桥臂电阻。结果列在表2。有明确的大的差异，最初的四桥臂电阻之间的电阻，和一些变化与负载压力和温度系数由于过程变量（如光刻）或由制造过程中引起的残余应力。
表2桥臂电阻不同环境条件下的试验结果。
由于初始负偏移的输出电压，如补偿电路模型图5应该用。无源电阻温度补偿公式所示的算法（15）可以通过检查图在解决图10从试验数据，采用Matlab中的构建表2（设置偏置输出电压U零= 4 mV).
图10通过绘制的参数空间中的解方程。
在图10红面，根据方程（15）的第一个方程得出，代表偏移电压U的补偿零；绿色面是根据方程的二方程，得出（15），代表量的温度系数的补偿；蓝色表是根据第三个方程得出（15），表示灵敏度的温度系数补偿。
参数值均在以下补偿电阻范围不同：
RZ∈[0, 200 Ω],RP∈[1 kΩ,1000 kΩ],RS∈[1 KΩ,30 kΩ]
由此，我们得到的最小补偿电阻参数：
RZ=100 Ω,RP=180 kΩ,RS=22 kΩ
无源电阻温度补偿电路通过数据建立表2。由此产生的电路显示在图11
图11无源电阻温度补偿电路使用数据表2
无源电阻温度补偿的传感器测试结果显示在图12。在工作温度范围内，总精度±1.5% FS，最大热零点漂移为1.8% fs，和最大的热灵敏度漂移是−4.6%。
图12为补偿高温压力传感器的无源电阻温度补偿模型和经验算法的测试结果：（一）在温度和压力环境下输出电压校准曲线；（B热零点漂移；（）C）热灵敏度漂移
从上面的结果，它是明确的，未补偿传感器的标定曲线（图8）显示的温度范围内变化明显。传感器的校准曲线，用传统的方法补偿具有改进的总精度的温度范围内（图9）。然而，传感器校准曲线所提出的无源电阻温度补偿（图12）清楚地显示出最好的精度，在整个温度范围内。很明显，无源电阻温度补偿比传统的温度补偿更有效，因为它导致更高的测量精度，在实验温度范围内。
这种补偿方法的一个限制是对输出灵敏度的影响。通过比较可以看出图8和图12，输出灵敏度下降70左右，根据所提出的方法。为了改善这个问题，我们可以用高温信号调理电路来提高传感器的输出灵敏度，如图所示图13。该电路的主要功能是放大传感器输出的电压信号从几十毫伏到0–5 V。
图13一种高温信号调理电路原理图。
进入图13、V进入和V进入-桥的输出电压，V裁判是输出零参考电压的电路，和R5（增益调整电阻）决定了高温信号调理电路的输出电压，它可以表示为：
VOUT=5.1×(1+20KR5)×(Vin+−Vin−)+Vref
（16）
对于高温压阻式压力传感器的温度补偿和无源电阻高温信号调理电路的测试结果显示在图14，并与相应的xte-190传感器性能比较（由Kulite）上市表3
图14压力传感器的标定试验结果。
表3类似的传感器参数的性能比较。
从这些试验结果可以看出，未补偿的高温压力传感器受到参数漂移在整个工作温度范围内的一个显着的程度，但与无源电阻温度补偿和高温信号调理电路的传感器可以实现精度和温度漂移水平相近的xte-190。
此外，为了充分验证无源电阻温度补偿的效果，六个传感器的同一批已经用同样的方法完成了温度补偿校准测试和补偿效果达到同一水平。图片所示的传感器装置图15
5。结论
在本文中，我们提出了高温压阻式压力传感器的无源电阻温度补偿的广泛适用的方法。该方法使用了一个基于微分方程的求解算法。我们的无源电阻温度补偿技术是不会受到影响的特性偏差之间的桥臂电阻或残余应力。在不同的温度和不同的负载压力阈值仅用四桥臂电阻的测量、温度补偿电路及补偿参数可确定的计算。此外，高温信号调节电路可以用来提高补偿传感器的输出灵敏度。被动的电阻温度补偿在高温压力传感器的补偿作用被证明是明显优于在很宽的温度和压力范围内传统的补偿技术，这表明我们的方法是值得推广的传感器制作中的应用。