[发明专利]高精度压力传感器信号补偿方法

说明书

技术领域：

本发明属于信号处理领域，涉及一种传感器的信号补偿方法，尤其是一种对于硅压力传感器的非线性误差、迟滞误差和温度变化引起的误差的补偿方法。

背景技术：

硅压力传感器是微机械工艺最成功的传感器产品，主要有硅压阻式、电容式和谐振式三种，其中硅压阻式应用最广泛。硅压阻式压力传感器利用半导体材料硅的压阻效应、惠斯顿电桥原理、集成电路工艺和微机械加工技术制成。硅压阻式压力传感器因其微型化、高灵敏度、响应快、可集成化和高稳定性等优点，现在已经广泛应用作微型真空计、绝对压力计、流速计、流量计、声传感器、气动过程控制器等，其应用遍及石油、化工、生物、医疗、航天、海洋工程、原子能等尖端科技和工业领域。

衡量传感器性能的静态指标主要有非线性误差、迟滞误差和重复性误差。为了提高传感器的测量精度，需要对这些误差进行补偿。目前，非线性误差的补偿方法已经非常成熟，常用的非线性误差的补偿方法有查表法、曲线拟合法和神经网络法。重复性误差属于随机误差，需要通过统计方法进行分析，目前还不能对其进行补偿。迟滞是一种多值对应、非常规、非平滑的特殊现象，它是由传感器内部元件存在的能量吸收和传递延迟造成的。迟滞与传感器受到的外界载荷的加载过程相关。因为迟滞误差的规律十分复杂，所以目前还没有关于硅压力传感器的迟滞误差补偿应用的报道。迟滞误差占基本误差的比重通常在30％左右，是影响硅压力传感器测量精度的重要因素。

硅压阻式压力传感器的缺点是对温度变化十分敏感，其零点输出和灵敏度都会随着温度变化而产生微小的变化，这种现象称为温度漂移。为了降低温度变化对传感器测量精度的影响，需要对温度变化引起的误差进行补偿。目前工业中常用的温度补偿方法有：硬件补偿方法和软件补偿方法(计算机补偿、微处理器补偿)。硬件补偿方法有二极管、三极管、热敏电阻等补偿电路方法。软件补偿方法是利用计算机或微处理器采集压力信号、温度信号，采用数字信号处理技术对温度漂移产生的误差进行补偿，得到高精度的压力信号。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有的硅压力传感器测量中迟滞误差无法补偿的不足和提高硅压力传感器的测量精度，提供一种可以补偿迟滞误差，同时补偿硅压力传感器的非线性误差和温度变化产生的误差的高精度信号处理方法。

本发明采用的技术方案是一种高精度压力传感器信号补偿方法，所述方法应用在作者研制的智能压力传感器系统中，该系统包括硅压力传感器、信号放大电路、模数转换电路(A/D)、DSP数据采集补偿电路、接口电路和工业控制计算机；所述硅压力传感器上分别连接有信号放大电路和模数转换电路(A/D)，信号放大电路同时又与模数转换电路(A/D)连接；所述模数转换电路(A/D)上连接有DSP数据采集补偿电路；所述DSP数据采集补偿电路通过接口电路与工业控制计算机；所述的接口电路包括CAN现场总线和USB接口；所述系统的工作流程：传感器环境的温度信号，与经过信号放大的电压信号一起经过模数转换电路(A/D)，由模拟信号转换为数字信号，再经过数字信号处理器(DSP)进行数字信号处理，得到迟滞误差补偿、温度补偿和非线性误差补偿的高精度的压力信号和温度信号。最后，通过CAN现场总线或USB接口将数据传输到工业控制计算机。

高精度压力传感器信号补偿方法，按照如下步骤：

(1)硅压力传感器测量得到压力测量信号Vp和温度测量信号Vt；压力测量信号Vp依次经信号放大电路和A/D转换电路后进入DSP数据采集补偿电路；温度测量信号Vt经A/D转换电路后进入DSP数据采集补偿电路；

(2)在DSP数据采集补偿电路中，采用迟滞误差补偿方法将压力测量信号Vp转化为消除迟滞误差的压力值P’；

(3)在DSP数据采集补偿电路中，采用信号接口处理方法对压力值P’进行温度校正，得到经过温度校正后的压力信号Vpm；

(4)在DSP数据采集补偿电路中，采用温度补偿方法，由经过温度校正的压力信号Vpm和温度信号Vt得到经过温度补偿和非线性误差补偿的压力信号P和温度信号T。

所述迟滞误差补偿方法是指：

首先，用压力测量信号Vp的极值序列Vp1、Vp2、…、Vpn表示压力；其次，判断压力处在加载过程(即压力载荷递增过程)还是卸载过程(即压力载荷递减过程)；然后分别利用迟滞逆模型或对压力测量信号Vp的极值序列Vp1、Vp2、…、Vpn进行处理，得到经过迟滞误差补偿的压力信号P’的序列(P′₁，P′₂，...，P′_n)；