基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種傳感器溫度補(bǔ)償方法

摘要：簡單介紹了硅壓阻式傳感器溫度誤差產(chǎn)生的原因及其特點(diǎn)，提出了一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其溫度誤差及非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償的方法。根據(jù)傳感器溫度誤差的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)多層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中傳感器測試電路中四臂電橋的橋路電壓和未經(jīng)補(bǔ)償的傳感器的輸出作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)輸入。利用MatLab對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到了網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閥值。經(jīng)過試驗(yàn)證明，該網(wǎng)絡(luò)能夠有效的補(bǔ)償傳感器的溫度非線性誤差，在-40～60℃范圍內(nèi)，使溫度誤差從原來的5．4％降到了0．2％。
關(guān)鍵詞：溫度補(bǔ)償；硅壓阻式；傳感器；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；電橋

傳感器特別是硅壓阻式傳感器的溫度誤差在其總誤差中占有很大的比重，溫度補(bǔ)償?shù)暮脡闹苯佑绊懼鴤鞲衅鞯目偩?。溫度誤差的補(bǔ)償方法有很多種，其中軟件補(bǔ)償是一種較常見的方法。由于傳感器的溫度誤差是一種非線性誤差，即各個(gè)溫度點(diǎn)的補(bǔ)償系數(shù)也應(yīng)該呈非線性，這給補(bǔ)償帶來了一定的困難。常常采用的方法是選取幾個(gè)溫度點(diǎn)，求得補(bǔ)償系數(shù)，其它溫度點(diǎn)的補(bǔ)償系數(shù)通過線性插值得到，這種方法實(shí)質(zhì)上是一種將補(bǔ)償系數(shù)分段線性化來擬合補(bǔ)償系數(shù)的非線性曲線的方法。因此，要做到較高的補(bǔ)償精度比較困難。而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的曲線擬合能力，可以利用BP網(wǎng)絡(luò)對傳感器輸出值進(jìn)行處理，得到去除了溫度誤差的理想輸出值。但是，單單從傳感器的輸出很難判斷哪些是由輸入壓力所引起的輸出，哪些是由于溫度誤差所帶來的輸出。所以，向BP網(wǎng)絡(luò)引入一個(gè)反映溫度變化的參數(shù)至關(guān)重要。而傳感器橋路電壓可以滿足條件。因此，利用傳感器的橋路電壓和未經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鬏敵鲆黄鹱鳛樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。試驗(yàn)證明，構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠使傳感器的溫度誤差得到大大降低，使得傳感器在-40～60℃溫度范圍內(nèi)，非線性溫度誤差降低到0．2％。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硅壓阻式傳感器溫度補(bǔ)償
1．1 硅壓阻式傳感器的溫度誤差
硅壓阻式傳感器是用半導(dǎo)體材料制成的，而半導(dǎo)體材料對溫度很敏感。因此，硅壓阻式傳感器的溫度誤差較大，并且其溫度誤差具有以下特點(diǎn)：首先，在相同壓力下硅壓阻式傳感器的溫度誤差比其他材料傳感器的要大；其次，它的溫度誤差是非線性的；再次，在進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)倪^程中，很難區(qū)分溫度誤差引起的輸出量的變化和壓力變化引起的輸出量的變化；此外，硅壓阻傳感器的溫度誤差有很大的分散性，甚至由同一制造商提供的同一型號傳感器的誤差幅度彼此之間也會有輕微的差異。這些特點(diǎn)給硅壓阻式傳感器的溫度誤差補(bǔ)償帶來了一定的困難。鑒于硅壓阻傳感器溫度誤差的特點(diǎn)，要對它進(jìn)行補(bǔ)償，首先必須找到一個(gè)能夠反映溫度變化的參量，這可以從傳感器的測量電路中獲得。
硅壓阻式傳感器的測量電路，由應(yīng)變計(jì)組成的四臂電橋組成，如圖1所示，四臂電橋中的4個(gè)電阻的阻值不僅會隨壓力的變化而變化，還會隨溫度的升高而增大。

假設(shè)溫度為t0時(shí)，Rt=R2=R3=R4=R0，當(dāng)溫度、壓力發(fā)生變化時(shí)，各電阻阻值可以用式(1)、(2)表示：

從式(4)可得，橋路電壓Vb與壓力產(chǎn)生的應(yīng)變沒有關(guān)系，僅與溫度引起的附加應(yīng)變有關(guān)。因此，可以利用它作為反映溫度變化的參數(shù)，而不需另外增加一個(gè)溫度傳感器，這樣做的好處是，直接利用壓力傳感器本身元件敏感溫度的變化，從而避免由于外加溫度傳感器而導(dǎo)致測量溫度和壓阻傳感器應(yīng)變片實(shí)際溫度存在差異給補(bǔ)償帶來誤差，提高了補(bǔ)償?shù)木?，同時(shí)也節(jié)約了成本，簡化了電路。
硅壓阻式傳感器雖然存在著很大的溫度誤差，但是在溫度不變的情況下，傳感器的輸出呈現(xiàn)出很好的線性度和重復(fù)性，這就為用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對它進(jìn)行溫度補(bǔ)償提供了必要的條件。