基于数据处理的高精度温压复合传感器的研究与设计

谢 锋,程文进,曹勇全

(中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙 410111)

基于数据处理的高精度温压复合传感器的研究与设计

谢 锋,程文进,曹勇全*

(中国电子科技集团公司第四十八研究所,长沙 410111)

为了满足航天测量领域重量轻精度高的测量要求,传感器仅用单个扩散硅压力敏感探头,实现温度和压力的复合测量。通过测量敏感探头恒流激励模式多温度点多压力点下的桥电压作为原始标定数据。数据处理过程抓住主要影响因子来拟合输入输出变量函数。然后采用直线或曲线族的插值的误差修正方式来降低拟合误差。传感器压力综合精度从1.13%FS提高到0.05%FS的综合精度,温度综合精度从2.06%FS提高到0.05%FS的综合精度,最终满足用户0.05%FS综合精度的技术指标要求。

温压一体传感器;数据处理;误差修正;曲线簇插值

卫星、飞船推进剂剩余量测量是关系任务成败的重要工作,事关卫星、飞船剩余寿命预测和离轨时间选择。贮箱推进剂剩余量的测量精度具有重要意义和经济利益[1]。贮箱推进剂温度与压力是两个非常重要的遥测参数,其测量精度要求尽可能高。目前温度和压力的复合测量大多数通过温度传感器和压力传感器来集成实现。压力传感器普遍采用扩散硅敏感探头来测量,敏感探头采用现代MEMS工艺制备,探头输出特性与材料特性关系很大,因而高精度压力测量需要进行温度补偿[2]。温度补偿可以在敏感探头桥臂电阻上串并联电阻网络补偿或数字补偿来实现。高精度的测量要求通常需要采用数字补偿的方式,目前常见的数字补偿方式有曲线曲面拟合[3]、样条曲线插值[4]和神经网络[5]的3种补偿方式。材料的温度特性影响传感器压力测量精度,但如果能将温度特性提取出来,单一扩散硅敏感探头就可以同时实现温度和压力的复合测量。目前通常采用数据融合[6]的手段来实现不同信号的提取,但该方法非常复杂,本文结合传感器探头性能特性,通过误差修正的方式来实现温度和压力的复合测量。

1 原始标定数据采集

扩散硅敏感探头利用半导体材料的“压阻效应”来测量压力,通过在半导体硅片上光刻4个电阻组成力敏全桥来实现。所谓压阻效应是指敏感元件电阻材料受到载荷应力时,其电阻率发生变化的物理现象。敏感元件电阻率变化主要由压阻系数、材料弹性模量和泊松比[7]等因素决定,而这些因素都受温度变化的影响很大。即扩散硅敏感探头能得到温度与压力的某种组合函数输出,通过对原始测试数据进行处理,可以获得当前温度和压力输出。通过一个扩散硅敏感探头就可以实现温度和压力的复合测量,不需要额外的温度敏感探头,可以做得更加轻便,同时对于压力温度补偿而言,补偿采用的温度即自身力敏全桥的温度,不存在因补偿温度测量位置与力敏全桥位置差存在的温度测量误差问题及温度测量不同步问题。补偿后的压力输出更适应瞬态温度压力变化的场合。

数据处理过程是一个因变量解耦、拟合函数求解过程,要单独获得温度与压力输出,必须消除温度与压力彼此的交互影响。通常而言,需求解的函数关系越简单越容易获得更高的精度。因此制备敏感探头的掺杂工艺、选用量程、温度范围、激励方式等都应朝着这个方向努力。扩散硅敏感探头采用恒流激励可以消除4个桥臂电阻不一致带来的温度额外影响[2],获得较简单的电压与温度、压力输出信号,本文扩散硅敏感探头激励方式与原始数据采集方式如图1所示,采集力敏全桥的桥电压Uac、Ubd作为原始标定数据。

图1 敏感芯体激励与原始数据采集

采用数字处理方式获得的传感器精度与采集的原始标定数据有关,本文测量了不同温度和压力点下的力敏全桥桥电压输出,如表1所示。

表1 不同温度与压力下桥电压Uac、Ubd输出

从表1可以看出桥电压Uac、Ubd同时是温度T与压力P的函数,可以用式(1)、式(2)来表示。

Uac=f(T-P)

(1)

Ubd=g(T-P)

(2)

数字处理过程就是要消除温度变量T、压力变量P对彼此的影响,求得温度T、压力P与桥电压Uac、Ubd的函数关系,用式(3)、式(4)来表示。

T=t(Uac,Ubd)

(3)

P=p(Uac,Ubd)

(4)

函数关系的求解过程是一个二因变量二自变量多元回归[8]求解过程,求解起来非常复杂。本文通过对测量数据进行分析,利用主要变化因子来拟合因变量,采用误差修正[9-10]的方式来提高测量精度可以获得温度和压力的高精度输出。

2 温度函数拟合与修正

从表1数据可以看出,标定温度变化时桥电压Uac变化非常明显,而Ubd相当稳定,因温度引起的主要变化因子为桥电压Uac,可采用桥电压Uac作为自变量来拟合温度。扩散硅敏感探头为半导体硅片上光刻应变电阻桥,温度与电阻的变化关系与半导体薄膜电阻温度变化曲线[11]相似,不需要温度高次信息来拟合,温度T1可以选择桥电压Uac的三次多项式来拟合。同时注意到桥电压Uac与测量压力P有关,最终结果必须通过误差增量来修正拟合结果。采用0 MPa或压力平均数据拟合带来的误差相差不大,本文采用0 MPa下的温度T和桥电压Uac标定数据来拟合温度,见式(5):

(5)

根据式(5)拟合的公式计算的温度误差如表2所示。

表2 根据桥电压Uac拟合的温度误差

从表2可以看出,拟合温度已经接近标定温度,但桥电压Uac还受压力的影响,原始拟合数据的压力波动导致温度误差随着压力增大而增大,温度误差与压力的近似关系见式(6)。

eT=0.411×P

(6)

因此为了降低温度测量误差必须消除压力的影响。本文中采用简单的线性插值[12]误差增量修正公式来降低压力对拟合误差的影响。从表1数据可以看出,标定压力变化时桥电压Ubd变化非常明显,而Uac相当稳定,因而压力引起的主要变化因子为桥电压Ubd,可直接用桥电压Ubd来进行误差修正,见式(7):

ΔT=(Ubd-Ubd0)Terr.fs/Ubd.fs

(7)

式中:Ubd为力敏全桥b、d点实测电压,mV;Ubd0为当前温度下0 MPa压力对应的桥电压Ubd值,mV;Terr,fs为当前温度的压力满量程范围温度拟合最大误差值,℃;Ubd,fs为当前温度的桥电压Ubd压力满量程输出,mV。

注意到温度误差除了与压力有关外,还与当前的温度有关,因此为了获得足够的测量精度,用来计算修正误差增量的Ubd0、Terr,fs/Ubd,fs数据都应采用当前温度拟合的函数值代替,当前温度可直接用T1代替。

最终测量温度T为通过Uac拟合的温度T1与通过Ubd修正的温度增量T之和来表示,修正后的误差如表3所示。

表3 修正后的温度测量误差

在标定温度点,修正后的温度误差在±0.01 ℃范围以内,该温度误差已经非常小,满足温度测量的需求。

3 压力函数拟合与修正

从表1数据可以看出,标定压力变化时桥电压Ubd变化非常明显,而Uac相当稳定,因而压力引起的主要变化因子为桥电压Ubd,可直接用桥电压Ubd来拟合测量压力P。不同于温度与桥电压信号,压力与桥电压信号输出具有非常丰富的高次信息,为了获得足够的测量精度,拟合函数采用四次多项式来拟合,见式(8)。

(8)

拟合数据采用20 ℃下的压力P和桥电压Ubd标定数据。拟合后的压力误差数据如表4所示,该压力误差分布不仅与温度有关,还与压力有关,为压力与温度的二维曲面,如图2所示。

表4 不同温度、压力下的压力拟合误差

图2 拟合压力误差曲面

从图2可以看出,仅通过Ubd拟合的压力误差较大,该误差来源只要为材料的温度特性影响,而且不同压力下该温度特性导致的误差曲线不一样,体现为不同的零点温度漂移误差[13]和灵敏度温度漂移误差[14],必须压力误差进行修正。图2二维曲面可分解为无穷多个不同温度点下连续的压力误差曲线

簇组成,如果温度点划分的足够细小,可认为相邻温度点内误差呈线性变化,可以通过线性插值的方式来修正误差,线性插值的函数见式(9)。

(9)

式中:eT1(p1)为温度T1、压力p1下的压力误差值,MPa;eT2(p1)为温度T2、压力p1下的压力误差值,MPa;T为当前温度,℃;T1为最接近当前温度的标定温度小值,℃;T2为最接近当前温度的标定温度大值,℃。

当前温度T采用第3节温度拟合的数值,压力p1采用式(6)拟合的数值,最终测量压力P为通过式(6)采用Ubd拟合的压力P1与通过温度误差修正的压力增量P之和来表示,修正后的压力误差如表5所示,修正后压力误差范围在±0.05%FS以内。

表5 修正后的压力测量误差

4 结论

传感器利用扩散硅敏感探头桥电压输出,获得多温度、多压力点标定获得原始数据,通过数据处理最终实现温度、压力的复合输出。传感器仅用单一测量探头,裁剪了额外温度探头的重量,也避免了额外温度探头测量点与压力测量点处于不同的温度场造成的补偿温度误差问题。数据分析抓住主要影响因子,然后对误差直接进行修正,不需要对温度、压力与桥电压复杂的多元耦合关系进行解耦或多元多因变量回归,仅通过直线或者曲线族线性插值的误差修正方式即可实现,操作实现流程非常简单,便于计算机程序实现。通过数据分析可以将传感器压力综合精度从1.13%FS提高到0.05%FS的综合精度,温度综合精度从2.06%FS提高到0.05%FS的综合精度,达到用户实际项目技术指标要求。传感器非常适合运载火箭等航天温度压力的测量需求。采用插值的误差修正的方式,要达到用户技术指标指定的综合精度,只需要增加足够的标定点数,实现复杂度也只是线性增加,该实现方法简单易行。

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ResearchandDesignofHighPrecisionTemperatureandPressureSensorBasedonDataProcessing

XIEFeng,CHENGWenjin,CAOYongquan*

(The 48th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Changsha 410111,China)

Single traditional diffusion silicon pressuresensitive probe is chosen to meet the high-precision measurement requirements of Pressure and temperature in the field of aerospace,where the weight must as light as possible. The original calibration datas of multi-temperature multi-pressure point are obtained by measuring the output voltage of the sensitive probe under constant current excitation. The input and output variable functions are fitted by the main influencing factor. And then the linear or curve family interpolation error correction method is used to reduce the fitting error. The comprehensive accuracy of the pressure is increased from 1.13% FS to 0.05% FS,and from 2.06% FS to 0.05% FS for temperature. The sensor finally meet the user 0.05% FS comprehensive accuracy requirements.

temperature and pressure integrated sensor;data processing;error correction;curve cluster interpolation

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.011

2017-05-17修改日期2017-07-27

TPS212

A

1004-1699(2017)12-1845-05

谢锋(1983-),男,工程师,西安电子科技大学毕业,大学本科学历,现从事传感器技术及应用研究,xiefeng@cs48.com;

程文进(1983-),男,高级工程师,硕士研究生学历,微电子专业,现从事半导体设备及MEMS工艺研究,chenwj@cs48.com;

曹勇全(1984-),男,工程师,东南大学毕业,硕士研究生学历,控制科学与工程专业,现从事传感器技术及应用研究,caoyq@cs48.com。