基于MAX1452的压力传感器温度补偿研究

刘 溢 吴佳灵 王光明 武东健

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

在火箭地面试验和飞行过程中，压力是一个重要的监测和控制对象,压阻式压力传感器，具有灵敏度高、线性好、过载能力强、便于批量生产等优点[1]，得到了广泛应用。但由于制作工艺和材料本身的原因，四个桥臂电阻不等及其温度系数不一致，导致温度变化时电桥输出不平衡，产生零点漂移；压阻系数随温度降低，导致灵敏度降低，产生灵敏度漂移[2,3]。因此，为了提高传感器精度，必须进行温度补偿。本文以MAX1452芯片为核心，设计了一套压力变送和温度补偿系统，将传感器信号调理和温度补偿集成一体，实现温度补偿的同时，极大简化了电路[4]。

2 系统设计

信号调理和温度补偿采用一体化集成方案，如图1所示，由四部分组成：上位机、多路标定模块、MAX1452调理模块以及压力传感器芯体。

图1 压力传感器信号调理系统结构图Fig.1 Structure of pressure sensor signal conditioning system

本设计方案中采用蓝宝石压力传感器芯体，可靠性高，具有良好的稳定性和重复性，温度特性和安全性也较充油式扩散硅压力传感器好。调理模块主要由电源、MAX1452芯片及其外围电路组成，完成传感器信号调理和温度补偿，与传感器芯体一起构成完整的压力传感器。接口模块主要由电源、PIC单片机、AD采样电路、485通讯模块等构成，作为上位机和传感器之间的接口电路，在传感器标定、测试时使用。上位机作为传感器的标定控制软件，完成控制标定流程，运行拟合算法，下载补偿参数等功能，可同时标定多支传感器。

3 数学模型及补偿机理

3.1 传感器建模

传感器电气模型可以简化为惠斯通电桥，如图2所示。可得传感器输出为

图2 传感器电气模型Fig.2 Sensor electrical mode

(1)

式中：Uo——传感器差分输出信号；Uo+——传感器正端输出信号；Uo-——传感器负端输出信号；Ub——电桥激励电压；Us——单位电桥电压激励下传感器输出；σ——传感器所有其他误差来源。

Us=S·P+Uof

(2)

式中：S——传感器机械激励灵敏度；P——传感器机械激励(压力)；Uof——传感器单位电桥电压激励下的偏置输出。

由于σ为非系统误差，具有随机性，不能补偿，本设计中忽略，则有

Uo=Uo+-Uo-=Ub·Us

(3)

将S、P、Uof展开成温度t和压力P的高阶形式为

Us=(s0+s1·t+s2·t2+(…))·

(e0+e1·P+e2·P2+(…))+

(o0+o1·t+o2·t2+(…))

(4)

式中：sn——灵敏度系数；en——非线性激励系数；on——偏置系数。

3.2 信号调理

本设计基于MAX1452完成信号调理。MAX1452是一款高度集成的传感器信号处理芯片，具有放大、校准和温度补偿功能，可以在(-40～125)℃的范围内，利用16位DAC对信号的偏移量和跨度进行数字化校准和补偿。

3.2.1传感器激励

在MAX1452的内部有一个可编程激励源，用于对传感器的惠斯登电桥供电[5]，如图3所示。

图3 可编程传感器激励Fig.3 Programmable sensor excitation

由图3可以看出，加载在电桥上的电流源Ib是经过电阻RISRC和RFTC的电流I的镜像电流，它的放大倍率为AA，则

Ib=AA×I=AA×(I1+I2)

(5)

(6)

式中：UDD——电源电压，是16位寄存器FSODAC的参考电压；FSODAC——存储在寄存器中的灵敏度补偿系数。

(7)

式中：Ub——电桥电压，是16位寄存器FSOTCDAC的参考电压；FSOTCDAC——存储在寄存器中的灵敏度温度补偿系数。

Ib=AA×

(8)

电桥电压表达式为

Ub=Ib×Rb=AA×Rb×

(9)

式中：Rb——电桥电阻。

化简可得

(10)

从公式(10)可以看出，电桥电压由FSODAC和FSOTCDAC两个寄存器控制，根据测定的温度值合理改变FSODAC和FSOTCDAC参数值可以有效控制电桥电压，从而改变传感器最终输出电压，实现温度补偿。

3.2.2传感器信号调理

图4为信号调理框图，由4位可编程增益放大器PGA、3位输入参考失调校准IRODAC、偏移补偿OFFSETDAC、偏移量温度补偿OFFTCDAC以及加法电路等组成，共同产生一个输出信号，完成传感器信号调理和温度补偿[5]。其中，IRO由符号存器IROSign和数值寄存器IRODAC构成，实现对传感器小信号的初始微调。整个传感器信号调理后输出的表达式为

图4 信号调理框图Fig.4 Signal conditioning block diagram

(11)

式中：IRO——存储在寄存器中的输入失调补偿系数；PGA——存储在寄存器中的增益放大系数；OFFSETDAC——存储在寄存器中的偏移量补偿系数；OFFTCDAC——存储在寄存器中的偏移量温度补偿系数。

联合公式(3)(10)(11)可求出传感器输出

(12)

(13)

将公式(2)代入化简可得

Uo=UDD·

(14)

由公式(14)可以看出，传感器调理后输出信号包括两部分：跨度输出和偏移量输出。第一项为跨度输出，由P、S、Rb及寄存器PGA、FSODAC的值决定，后三项为偏移量输出，由Rb、Uof、寄存器FSODAC、PGA、IRO、OFFSETDAC的值决定。

3.3 补偿机理

根据公式(14)，Rb、S和Uof和介质温度t均有关系。在相同压力P下，随着介质温度t变化，Uo也会发生改变，即温度漂移，包括灵敏度漂移和零点漂移。因此，温度补偿也包括灵敏度补偿和零点输出补偿。

3.3.1灵敏度补偿

一般情况下，TCR往往大于TCS[6]。因此，根据公式(14)，传感器具有一个正的非线性满量程温度误差。如果通过一定手段，适当减小TCR，使之刚好与TCS大小相等，方向相反，则两者随温度变化可相互抵消，从而实现传感器灵敏度补偿。

图5 TCR与TCS关系示意图Fig.5 Relationship between TCR and TCS

本设计中通过适当改变Ub来实现等效的理想TCR。由公式(14)可知，当Rb和S随温度改变时，相应改变寄存器FSODAC的值，使得三者变化量相互抵消，从而使得满量程输出不变，完成补偿。标定时，根据拟合算法确定好FSODAC补偿曲线[7]，并存入查找表中；正常工作时，每隔1ms，根据内嵌的温度传感器查找当前温度下对应的FSODAC的值并进行运算，从而消除TCR和TCS带来的影响，实现传感器的灵敏度补偿。

3.3.2零点补偿

对于零点漂移误差，在信号放大处理端可以被消除。由图4和公式(14)可知，改变IRO、OFFSETDAC和OFFTCDAC的值，即可补偿传感器的零点漂移。其中OFFSETDAC是动态系数，标定时确定OFFSETDAC补偿曲线，工作时根据当前的温度值查找对应的参数值，对传感器输出信号的零点漂移进行实时补偿。

4 系统实现

4.1 传感器设计

传感器结构图如图6所示，主要包括传感器芯体、调理及补偿电路板、传感器外壳以及输出航插等部分。采用蓝宝石压力传感器芯体，量程设计为(0～2.5)MPa，补偿温度范围(-40～60)℃,输出(0.5～4.5)V。

图6 传感器结构图Fig.6 Sensor structure

4.2 信号调理及补偿电路

信号调理及补偿电路如图7所示。MAX1452芯片有两个电源端UDD和Uddf，共用一个5V电源供电。Uddf为芯片的EEPROM供电，读写时瞬时电流较大，为避免给UDD带来纹波，减小噪声耦合，增加RC滤波环节。同时，为了满足UDD和Uddf上电时间差不超过10μs的要求，在RC两端并联肖特基二极管，解决启动问题。D2、D3为输出限幅保护电路。UOUT端为传感器电压输出，标定时可根据需要进行设置，本设计中设置为(0.5～4.5)V。

图7 信号调理及补偿电路Fig.7 Signal conditioning and compensation circuit

4.3 多路标定模块

为了提高标定效率，设计多路标定模块，在上位机标定程序的控制下，完成传感器的标定和参数下载。图8为多路标定模块框图，主要包括电源模块、片选模块、AD采样模块、单片机控制模块、485通讯模块等。根据实际情况实现一对一或一对多连接，还可并接多路接口模块[8]。

图8 多路标定模块框图Fig.8 Block diagram of multi-channel calibration module

4.4 软件设计

软件包括多路标定模块软件(下位机)和上位机标定系统(主控软件)。图9为上位机标定系统主界面，实现传感器标定流程控制；补偿参数计算与下载；传感器参数设置、修改等功能。通过485与多路标定模块通信，实现对传感器调理模块的控制。

图9 上位机标定系统主界面Fig.9 Host monitor calibration system main interface

5 试验验证

利用图6所示传感器进行试验，选取包括零点、满度在内的6个压力点，从-40℃开始每隔20℃选取一个温度补偿点进行实验，包括传感器芯体输出特性测试和对应的温度补偿实验。

5.1 传感器芯体输出特性测试

单独对传感器芯体采用5V恒压供电，电压源精度实测为0.02%；压力源为0.02级油压活塞；温箱最小分辨率为0.1℃。

将蓝宝石芯体置于温箱中，通电，调节温箱温度至实验点，稳定两小时后，用六位半数字万用表直接采样其输出信号Uo，记录如表1所示。其中，19.8℃为常温下测得数据，后续计算中均与之进行比较。

绘制表1中各温度点下传感器芯体零点输出和满量程输出的变化曲线，如图10、图11所示。可以看出，传感器芯体输出与温度呈二次曲线关系，这是由于厂家利用串并联电阻网络进行了一次硬件温度补偿的结果。

表2是各温度点传感器芯体零点输出和满度输出相对于常温(19.8℃)时的每度温漂(百分比)。可以看出，温度越低，温漂越大，最大温漂为0.02%/℃。由此粗略估算在跨度为100℃温度范围内仅温漂引起的误差可达2%，精度要求较高的场合需要进行温度补偿。

表1 传感器芯体不同温度下信号输出Tab.1 Sensor output at different temperatures传感器芯体输出 温度点 (℃)压力 (MPa) (mV)59.739.919.80.1-19.8-39.800.730.740.730.690.640.540.55.695.715.705.655.585.46110.6610.6910.6710.6110.5310.381.515.6215.6615.6415.5715.4715.29220.5820.6220.6120.5320.4020.202.525.5325.5825.5725.4825.3425.10满量程24.8124.8424.8424.7924.7024.56

5.2 传感器温度补偿

在同样条件下对传感器进行标定及温度补偿，标定的FSODAC、OFFSETDAC补偿曲线如图12，图13所示，将其下载至信号调理模块中，补偿完成。

图10 零点输出-温度曲线Fig.10 Zero output- temperature curve

图11 满量程输出-温度曲线Fig.11 Full scale output-temperature curve

表2 传感器芯体输出相对常温每度温漂Tab.2 Temperature drift per degree celsius of sensor output relative to normal temperature温度(℃)零点输出(mV)温漂(%/℃)满度输出(mV)温漂(%/℃)19.8(常温)0.73/24.84/59.70.730.0024.810.0039.90.740.0024.840.000.10.69-0.0124.79-0.01-19.80.64-0.0124.70-0.01-39.80.54-0.0124.56-0.02

图12 FSO DAC-温度曲线Fig.12 FSO DAC- temperature curve

图13 OFFSET DAC-温度曲线Fig.13 OFFSET DAC- temperature curve

对比图11和图12，图10和图13可以发现，补偿结果与3.3节所述补偿机理一致，与公式(14)的理论模型相吻合。如图11所示，满量程随温度呈现二次曲线关系，在30℃两侧，由于灵敏度温度系数TCS减小，导致相同压力下输出减小，由此，需要增大FSODAC的值，使其与灵敏度S的变化相互抵消，达到补偿的目的。因此，图12中FSODAC为以30℃为轴线向上开口的二次曲线，补偿结果完全验证了理论模型。同理，图10，图13也相互支持印证。

5.3 补偿效果测试

补偿完成后同样条件下每隔10℃进行性能测试，实验数据、误差计算分别如表3、表4所示。

由表4可以看出，在全温度范围内，补偿后传感器最大误差为0.15%，包含了重复性、非线性、温漂和其他所有误差在内，相较于补偿前仅温漂误差一项就达2%，温度补偿效果比较理想。如若增加补偿点数，可进一步提高全温度范围内的精度；实际运用中，可以根据所需精度灵活确定温度补偿点，提高效率。

6 结束语

本文以MAX1452芯片为核心，设计了一套压力变送和温度补偿系统。从理论上分析了压力传感器温度漂移机理,给出了相应的补偿方法。并设计传感器进行试验研究，试验结果表明：补偿结果与理论模型吻合，传感器补偿后误差优于0.15%，比补偿前提高了一个数量级，取得了很好的补偿效果，为压力传感器宽温区应用创造条件。