压力传感器温漂及非线性校准技术研究

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Research on Temperature Drift and Nonlinearity Calibration Technologies ofPressure SensorLI Yan-fang(Chinese Flight Test Establishment，Xian 710089，China)Abstract：High-precision pressure sensor is widely used in aviation field，and often faces harsh working envi-ronment.In order to make pressure sensor maintain hi gh accuracy in special test condition，the design of sensorperformance becomes critica1.Reasonable signal conditioning circuit and correct calibration principle can sig-nifcantly improve the perform ance of sensor.Through using programmable analog signal conditioner in the sig-nal conditioning circuit of sensor，temperature drift and nonlinearity of the bridge pressure sensitive element aremodifed real-time，the intelligent serf-calibration is realized，and the accuracy and environmental adaptabilityof the pressure sensor are effectively improved。

Key words：pressure sensor；high-precision；real·time serf-calibration压力传感器通常由压力敏感元件和信号调理电路实现压力测量的力 -电转换。压力敏感元件将被测压力转换成适于传输或测量的电信号，信号调理电路对该信号进行调整，转换成便于显示、记录、控制处理的标准信号 。

压力敏感元件的构成原理有压阻式、谐振式、压电式等多种方式，其中利用半导体的压阻效应制成的压阻式压力敏感元件以其灵敏度高、分辨力高、频率响应高等突出优点而得到广泛的应用。由于半导体材料对温度敏感，导致压阻式敏感元件存在较大的温度漂移误差。

笔者提出了高精度压力传感器的实现方法：在信号调理电路中加入实时误差自校准设计，使所设计的传感器满足精度高、环境适应性好的要求。

收稿 日期：2013-01-18作者简介：李彦芳(1981-)，女，山西忻州人，硕士，工程师，主要从事航空传感器设计工作。

1 压力传感器的性能评价方法传感器静态特性的重要指标有：非线性、迟滞、重复性及漂移误差等。-般用总精度来表示传感器的综合性能指标。常用的总精度计算方法为非线性、迟滞、重复性三项误差的均方根或代数和。传感器应用于航空测试系统时，需要通过传感器输出的电信号来解算对应的压力值。由于非线性表征了传感器输出-输入的实际标定曲线与理论直线的-致程度，因此，非线性指标对于解算精度的影响尤为重要。

非线性通常以满量程的相对误差来表示 2 ，即x lO0% (1)式中，(△ ) 为在满量程的范围内，实测曲线与理论直线间的最大偏差； 为理论满量程输出。

应用于航空领域的压力传感器，会面l临特殊的测试环境，如从 -40～70 c的温度变化范围。此时，通压力传感器温漂及非线性校准技术研究 ·9·常要求压力传感器满足-定的温度漂移误差指标。温度漂移是指作用在传感器上的激励不变时，由外界环境温度的变化而引起的输出存在着与被测输入量无关的变化 J。温度漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。

式中，y0( )为在室温 时，传感器的零点输出值；y0( )为在规定的高温或低温 保温规定时间后，传感器的零点输出值； (T。)为在 温度下传感器的理论满量程输出。

卢 x100%/℃ ㈥ 式中， (T )为在室温 时，传感器的满量程输出值；l，F ( )为在规定的高温或低温 保温规定时间后，传感器的满量程输出值。

是利用标定好的若干温度点(如：低温、常温、高温)的传感器零点及满量程输出数据，构建-组分为多段的零点、增益随温度变化的校准系数，存储在 E PROM中，这些校准系数代表着分段特性曲线上的补偿传感器漂移的量。压力传感器所处环境的温度被采集后，由温度ADC转换成为数字信号，用插值法读取存储器中对应温度的零点/增益校准系数，控制零点 DAC和增益 DAC的输出，达到温漂误差校准效果。与存储器间的通信通过标准总线SDA、SCL实现。校准原理示意图如图2所示。

2 高精度压力传感器设计思想 压力敏感通过温漂误差校准，使压力传感器性能受环境温度影响的情况得到改善，通过非线性误差校准，使压力传感器的总精度得到提升；此两项校准均与信号调理电路对敏感元件信号进行增益调整同时进行，并实现了实时数据采集及智能化 自校准。

- 纛 - 譬辱 壁矍；图1 高精度压力传感器原理框图在传感器的信号调理电路中，采用可编程模拟信号调节器 PGA309，以实现电桥激励、灵敏度和零点的温漂调整、测温功能、输出过量程或欠量程限制、故障检测、数字化校准等功能 。其工作原理为：在上电复位以后，对敏感元件产生的电压信号进行增益调整，同时温度 ADC对温度值进行采样转换 ，然后访问校准参数所在的存储器，查找并读取对应的温度校准系数，调节零点和增益输出；该输出信号经反馈送给线性化DAC，按比例与参考电压叠加，形成激励信号加至压力敏感元件；这-过程连续进行，保证了增益调整、温漂校准及非线性校准的正常工作状态。

3 校准原理3.1 温漂校准原理PGA309对桥式压力传感器进行温漂校准的原理：第1级增益 ： 第2级增益 ： g3NN图2 温漂校准原理示意图温度测量电路是主要由温度传感器及温度 ADC构成的功能块。温度感应可以通过多种方案来完成，如电阻温度器件等。

在温度 ADC的连续转换模式下，在初始上电复位后，E PROM的寄存器配置被读取，温度ADC开始转换，在第-轮转换结束时读取 E PROM的温度系数，并调整零点 DAC和增益 DAC的设置，之后另-轮转换开始。

3.2 非线性校准原理PGA309对压力传感器进行非线性校准的原理示意图如图3所示。校准电路将敏感元件的输出电压按-定比例反馈至线性化 DAC，经过线性化系数i 调整，与参考电压乘以比例系数后的值相加，再作用于敏感元件电桥的激励端，以此环路实现非线性校准。

压力敏感图 3 非线性校准原理示意图· l0· 《测控技术)2013年第32卷第7期4 电路设计压力传感器信号调理电路设计图如图4所示。

5V图4 压力传感器信号调理电路图5 传感器调试使用PGA309专用工具对压力传感器进行调试，步骤如下 ：① 计算最优校准系数，根据传感器校准前的特性参数及期望的输出电压范围、补偿温度范围和校准所需温度点的数量等信息，形成可用于访问及插值查询的校准系数表；② 确认各项数值的有效性，将形成的校准系数表以文件形式保存；③ 实现存储器与上位机之间的通信，将被保存的校准系数文件写入存储器。

6 实验结果按上述方案设计的某型压力传感器 ，与未采用误差校准设计的传感器进行实验，测得的数据进行温度漂移和非线性误差对比，结果如表 1和表 2所示。

表中实验数据说明，按文中方案设计的压力传感器，温度漂移误差及非线性误差得到显著修正，相较于未采用误差校准设计的传感器，精度得以有效提高。

表 1 某压力传感器不同方案下的温度漂移对比表 2 某压力传感器不同方案下的非线性误差对比7 结束语笔者提出了具有实时自校准功能的高精度压力传感器的设计思路，分析了 PGA309对压力敏感元件固有特性(温度漂移、非线性)进行校准的原理，通过对某型压力传感器的实验数据进行分析，验证了设计方案的有效性。