采用压力传感器同时测量动态压力与温度

文/黄玮芳 黄伟林 于阳

1 前言

压力传感器通过感应的压力并将其转化为电信号，基于硅压阻微机械加工系统技术和硅应变技术，将填充凝胶的超小型压力传感器优化，可应用至先进医疗保障、飞行器检测以及重型设备等工业当中。在温度和压力测量过程中，测温和测压会相互影响，局限传感器工作的正常范围，故应对其进行精度控制、信号调理和温度补偿工作。

2 采用压力传感器测量动态压力和温度步骤

2.1 动态压力传感器设计

本设计使用芯感智公司的压力传感器.首先，在测定数据前需要对压力传感器进行监测。看传感器电路是否正确，进行桥路监测以及电压挡零点检测，看零点偏差是否超出范围，再进行加压检测给传感器供电，检查输出端的电压变化，最后以标准压力源给传感器施加压力，测量压力大小和输出信号的变化，对传感器进行有效校准和静态温度标定，并将微机数据采集系统确定阶段温度响应特性，以数字滤波将动态测量范围扩展。

2.2 测量系统操作

由传感器IBMPC/AT计算机和试控配置器组成的测量系统，有模拟输入输出通道、转换开关等，压力传感器输出的压力信号经电路放大器从通道输入，再由变换器转化为模拟量，从另一通道输出。此期间要注意压力传感器的精度变化，将非线性误差和温度漂移误差降到最小。

2.3 测温动态范围

压力传感器具有热惯性的特征，在测量温度时要扩展其动态范围，且选择测量精度时要和测量范围相同。在现实不同温度下使用传感器还要考虑温度漂移的影响，中低温段为±2%，高湿段±4%，以滤波器的形式将传感器输出的温度信号由一通道输入后，以信息集成系统程序完成消除直流分量、放大信号、拓展范围等工序，最后，在上述变换器中由原通道输出温度信号，精确测量瞬态温度信号，缩小其中非线性误差。

3 压力传感器温度信号测定及动态扩展

3.1 温度信号测定基本原理

压力传感器输出的等效电阻会随温度变化达到一定规律，可得出温度对电阻变化的系数影响。在温度一定时，计算电阻值和它们的电阻温度系数，当一般恒流电源供电时，电流在电阻上产生压降，引起相应的温度变化，并测算出压降值和温度变化之间存在的关系并以公式表达出来.而当压力传感器在压力与温度场当中测定时，桥路电源端的有效压降即为温度输出的信号，另一端将压力输出信号放出。

3.2 同时测温测压注意事项

在压力传感器同时测量动态压力与温度的过程中，压力信号和温度测定在桥路组织变化之中对输出电阻值有一定影响，会产生误差，影响总精度水平。此时常用评估法操作，将幅频特性和相频特性中的动态误差降到最小。在满量程压力信号作用下,可计算出当温度恒定时测压信号所改变的输出电阻的量，最后得出当差动增量不相等时引起的增量变化，以不对称度为准，当不对称度越小时，压力传感器的测温测压精度越高，此时测温和测压相互影响作用较小。

3.3 静态温度特性

考虑非线性误差大小以及线性误差大小、温度变化及多次应用后的好坏结果，由传感器本身特点显示，控制稳定度在0～95℃温度范围之内，保持压力传感器的静态温度性能指标，达到一定灵敏度，并计算出其线性度、精度、重复性和温漂程度，此时测压点的压力和温度变化同时测量相互影响较小。

4 压力传感器温度传递工作

4.1 传递函数的计算以及滤波器设置

压力传感器对温度信号输出的相应特性，以图表曲线形式表现出来，可算出其中的时间常数，用公式VEQ=IEQR表示出测温系统传递函数。而在数字滤波器的设置中，由传递函数式测量系统频带充分扩展，计算出在接入滤波器后总传递函数公式VEQ=1.5mA×1kΩ=1.5V，考虑输出信号及输入信号之间的变换关系，并以向后插分法求出变换值，得到数字滤波器的等效数值，最后得出测压传感器在温度测定时的截止频率和总截止频率。

4.2 TURBOPASCAL程序端应用

将压力传感器的测定温度信号输入IBM计算机系统，并进行放大信号执行算式的作用，操作系统进行低级调用功能，以内嵌式语言汇编实现数字滤波器设备设计，将底层软件与硬件相结合，以过程和函数在单元部分定义实现通用程序设计语言，并将最后输出的温度信号及滤波系数值存入文件资料进行图表报备工作，面向对象程序设计，在整体程序中扩展内存，实现动态数组编程。

4.3 测定数据分析

可对输入离散信号代码进行运算处理并改变信号频谱，根据滤波器的参数要求设置对应的模型，产生数字滤波器确定参数。在图表中经数字滤波器过后温度阶跃响应指上升，以IBM系统计算机执行公式选出过程中的最佳值，并取不同时期的相应实测结果，以过补偿和欠补偿两种方式测定结果为主，在不断扩展后直流幅度相应减小，利用数字滤波器进行数据输出，如出现超过1/2采样频率分量，将低通滤波器设置在电路转换前，使超过的高频成分进一步滤除，最后得出平滑滤波和相应放大后的温度阶跃响应指数。

5 结束语

总体来说，在压力传感器同时测量动态压力和温度过程中，从高频动态压力传感器设计入手，以主要测量系统压力信号输入，并转化为模拟量输出，在此期间监测温度动态范围，并以信息集成消除分量和信号监测。在压力传感器温度信号测定及动态扩展过程中，根据公式测量出温度对电阻变化的系数参定，同时测温测压变化中注意非线性、迟滞、重复性三项技能误差，将不对称度降到最小，减弱测温和测压的相互影响，以传递函数的计算机滤波器的设置有效进行温度传递工作，并应用IBM计算机系统数据监测，最后进行图表数据分析，将平滑滤波和温度指数测定出来，进行有效的动态压力和温度测量。