利用壓力傳感器高精度測(cè)量時(shí)對(duì)其誤差的補(bǔ)償方案

0 引言

在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域中，都必須進(jìn)行相關(guān)的壓力檢測(cè)與分析。壓力傳感器測(cè)量誤差大小直接影響到測(cè)控系統(tǒng)的性能。擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器是應(yīng)用最廣泛的壓力傳感器之一，它相當(dāng)于一個(gè)有四只電阻的橋路。半導(dǎo)體電阻有溫度系數(shù)，會(huì)產(chǎn)生溫度誤差;傳感器的壓敏特性又有非線性誤差。因此，壓力傳感器在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有溫度和壓力誤差存在。利用壓力傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，就要對(duì)壓力傳感器的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。按照實(shí)現(xiàn)的條件可以將誤差的補(bǔ)償方法分為用硬件電路補(bǔ)償和在智能芯片或微機(jī)中以軟件方法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

本壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上，采用AT89S52單片機(jī)控制X型精密硅壓式壓力傳感器MPX2100和高精度積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135等器件，對(duì)壓力信息進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換;軟件上，在分析基于最佳擬合直線原理的壓力傳感器非線性補(bǔ)償模型的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性修正，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的高精度輸出。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

基于單片機(jī)的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖如1所示。系統(tǒng)的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，其輸出的模擬信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大調(diào)理。調(diào)理后的模擬電量在AT89S52單片機(jī)的控制下，通過(guò)ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可以保證系統(tǒng)具有高數(shù)據(jù)采集精度和很強(qiáng)的抗干擾能力，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算及軟件補(bǔ)償?shù)忍幚?。最后將?shù)據(jù)顯示出來(lái)，同時(shí)可經(jīng)串行接口傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交換，鍵盤提供人機(jī)交互的手段。

1.2 壓力采集及信號(hào)變換

Motorola公司的X型硅壓力傳感器與擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器的惠斯登電橋不同，其專利技術(shù)采用單個(gè)壓敏元件呈X型的電阻元件，因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用計(jì)算機(jī)控制的激光修正技術(shù)，溫度補(bǔ)償技術(shù)，使其精度很高，并具有極好的線性度和靈敏度。壓力信號(hào)經(jīng)高精度壓力傳感器MPX2100變?yōu)殡娦盘?hào)，由于電信號(hào)比較微弱，為防止傳輸過(guò)程的衰減影響系統(tǒng)精度，系統(tǒng)采用電流傳輸。采集信號(hào)經(jīng)過(guò)圖2電路調(diào)理后，變換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，通過(guò)CMOS型8選1多路開(kāi)關(guān)CD4051選擇之后，輸出到A/D模塊ICL7135進(jìn)行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。

在圖2所示電路中，IC1、IC2、IC3選用高精度運(yùn)算放大器OP07。第一級(jí)由運(yùn)放IC1、IC2構(gòu)成差動(dòng)放大器，電位器RP1用來(lái)調(diào)節(jié)第一級(jí)輸出電壓的大小;電壓到電流的變換由IC3構(gòu)成增益為1的差動(dòng)放大器完成，IC3連接三級(jí)管9013作為實(shí)際電流源來(lái)提供20mA電流輸出;為保證在使用很長(zhǎng)傳輸線時(shí)仍達(dá)到良好的性能，所有相同阻值電阻之間應(yīng)匹配良好，且在電源與輸出端之間加上電容器C1、C2以防止振蕩。在無(wú)壓力時(shí)，只要調(diào)節(jié)RP2使在接受器上的電流為4mA;在滿度壓力時(shí)，調(diào)節(jié)RP1使在接受器上的電流恰好為20mA。從而保證硬件采集和傳輸過(guò)程的精度。