一种带温度补偿的高精度压力传感器的研制

一种带温度补偿的高精度压力传感器的研制

王曼曼张洪亮

（中国电子科技集团公司第四十九研究所黑龙江省哈尔滨市150001）

摘要：针对硅压阻式压力传感器的温度漂移现象，研制了一款带温度补偿的高精度压力传感器。该设计以ATMEGA328P为核心芯片，以LMP90078为模数转换器，以AD5662为数模转换器，整个电路采用工作温度宽、低温漂的元件，并且在软件中采用最小二乘法进行补偿。实验温度范围为-40℃~125℃，传感器零点（2KPa）输出为0.5V，上限（700KPa）输出为5.5V，经过反复补偿验证，得出该压力传感器的准确度不大于0.5‰，非线性不大于0.5‰。实验结果表明：该研制能很好的补偿压力传感器的温度漂移，提高传感器的性能及测量准确度。

关键词：压力传感器；ATMEGA328P单片机；温度补偿；最小二乘法

0引言

利用硅的压阻效应和微电子技术的硅压阻压力传感器，具有灵敏度高、线性好、过载能力强、便于批量生产等优点。但由于半导体材料本身和工艺方面的原因，使压力传感器的零点和灵敏度易随温度发生漂移。零点温度漂移是由于电阻的掺杂不同而导致电阻的温度系数不同，灵敏度温度漂移主要是由于压阻系数易随温度的升高而减小，影响了硅压力传感器的测量精度，限制了它在一些精度要求较高领域的应用，所以硅传感器温度补偿很重要。传统的温度补偿方法一般利用电阻网络，达到补偿的效果，但这种方法不灵活且补偿精度不高。软件补偿的方法是将传感器技术与计算机技术相结合，利用软件进行修正，灵活且补偿效果好。文中提出基于ATMEGA328P微处理器的压力传感器温度补偿系统，整个电路选择宽温区、低温漂的元器件，避免了额外的温度漂移引来的测量误差。将传感器技术和计算机技术很好的结合起来，利用软件实现非线性补偿和温度漂移补偿，这种方法不但高效，而且补偿精度高。

1压力传感器设计

本文提出带温度补偿的压力传感器主要包括以下几个部分：电源模块、电压基准源、压力芯体、恒流源、ADC、温度传感器、DAC、单片机ATMEGA328P、通信接口。它的整个工作过程是：首先用恒流源给压力芯体供电，压力芯体输出信号，经过滤波，放大、模数转换，将数字信号送入单片机中，同时单片机采集温度芯片温度值，芯体值和温度值送入单片机中，用最小二乘法对传感器的输出值进行修正，以达到温度补偿的效果。带温度补偿的压力传感器总体结构如图1所示。

图1带温度补偿的压力传感器总体结构

本文中选用的单片机型号为ATMEGA328P，是一款具有高性能、低功耗的8位微处理器；ADC型号为LMP90078，是高度集成的多通道、低功耗16位传感器AFE；DAC型号为AD5662，是一款低成本、低功耗、单通道、缓冲电压输出、保证单调性的16位数模转换器；温度传感器型号为TM36，是低电压、精密摄氏温度传感器，提供与摄氏温度成线性比例关系的电压输出；利用串口线，通过RS-232C通信协议，与计算机进行连接，进行上位机显示。单片机与ADC、DAC连接如图2所示。

2压力传感器测试结果

2.1实验测试数据

在本次实验中，采用准确度为0.01级的数字式压力控制器SERIES600进行标定。文中给出了2只传感器S1、S2的测试结果，整个实验采取3个正反行程，取平均值的方法（二次曲面法）得到实验结果。表1、表2给出了利用单片机进行温度补偿后压力传感器S1，S2的测试结果。

2.2实验结果分析

由2.1可看出，产品经过温度补偿后，传感器的精度和非线性明显优于补偿之前产品。按照压力传感器通用规范（GJB4409-2011）中的精度和非线性的公式计算，可得补偿后，传感器S1的精度为0.17‰，非线性为0.17‰；传感器S2的精度为0.29‰，非线性为0.29‰。

综上，经补偿后传感器的准确度均不大于0.5‰，非线性均不大于0.5‰。

3结束语

带温度补偿的高精度压力传感器，采用宽温区、低温漂的元件，产品具有很好的精度，并且该传感器利用软件进行温度补偿，易于修改且补偿效果好，经计算传感器的准确度和非线性均不大于0.5‰。由此可见，在保证测量误差的情况下，可以很好地解决压力传感器输出随环境温度变化而变化的情况，减小了产品的温度漂移，提高了产品的稳定性，避免了由于存在温度漂移现象而限制它在一些高精度领域的应用，值得更加深入地研究。