淺談傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)

摘要：從原理上論述了溫度對(duì)傳感器性能的影響，包括零點(diǎn)漂移、靈敏度隨溫度的變化。介紹了溫度補(bǔ)償的方法，提出了利用單片機(jī)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度補(bǔ)償是一種行之有效的方法。
關(guān)鍵詞：傳感器；溫度誤差；靈敏度：補(bǔ)償技術(shù)

1 引言
    傳感器廣泛應(yīng)用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，一切科學(xué)研究和生產(chǎn)過(guò)程要獲取信息都要通過(guò)其轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號(hào)，但大多數(shù)傳感器的敏感元件采用金屬或半導(dǎo)體材料，其靜特性與環(huán)境溫度有著密切的聯(lián)系。實(shí)際工作中由于傳感器的工作環(huán)境溫度變化較大，又由于溫度變化引起的熱輸出較大，將會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差；同時(shí)，溫度變化也影響零點(diǎn)和靈敏度值的大小，繼而影響到傳感器的靜特性，所以必須采取措施以減少或消除溫度變化帶來(lái)的影響，即必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2 溫度補(bǔ)償技術(shù)
    在傳感器的應(yīng)用中，為使傳感器的技術(shù)指標(biāo)及性能不受溫度變化影響而采取一系列具體技術(shù)措施，稱(chēng)為溫度補(bǔ)償技術(shù)。一般傳感器都在標(biāo)準(zhǔn)溫度(20+5)℃下標(biāo)定，但其工作環(huán)境溫度也可能由零下幾十?dāng)z氏度升到零上幾十?dāng)z氏度。傳感器由多個(gè)環(huán)節(jié)組成。尤其是金屬材料和半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其靜特性與溫度有著密切的關(guān)系。信號(hào)調(diào)理電路的電阻、電容等元件特性基本不隨溫度變化，必須采取有效措施以抵消或減弱溫度變化對(duì)傳感器特性造成的影響。
2．1 溫度誤差靈敏度
    溫度誤差靈敏度是指?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c引起該輸出量變化的溫度變化量之比，即St=эy／эT，顯然傳感器的S越小，適應(yīng)環(huán)境溫度變化的能力越強(qiáng)，其溫度附加誤差就越小。
    環(huán)境溫度T對(duì)傳感器輸出的影響如圖1所示，傳感器的輸出y是輸入被測(cè)量x、環(huán)境溫度T的函數(shù)，即y=f(x,T)。

    當(dāng)傳感器的輸出y與輸入x之間為線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，則有

   
式中，a0(T)是傳感器的零位輸出；a1(T)是傳感器的靈敏度。
    這時(shí)，傳感器的溫度誤差靈敏度St為：

   
    從式(2)看出兩項(xiàng)組成，前者為傳感器零位輸出溫度誤差靈敏度，其大小反映傳感器零點(diǎn)隨溫度漂移的快慢；后者為傳感器輸出特性曲線(xiàn)的斜率(即靈敏度)的溫度誤差靈敏度，其大小反映傳感器量程隨溫度變化的快慢。
    當(dāng)傳感器的輸出與輸入之間為非線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，這種關(guān)系可用有限項(xiàng)的冪函數(shù)近似表示為：

    
    這時(shí)，傳感器的溫度靈敏度為：

   
    因此，為降低溫度變化對(duì)傳感器工作造成影響，應(yīng)設(shè)法減小溫度誤差靈敏度。可從兩方面考慮：減小傳感器零位輸出溫度誤差靈敏度，使傳感器的減小傳感器對(duì)溫度的敏感性，使
2．2 并聯(lián)式溫度補(bǔ)償原理
    并聯(lián)式溫度補(bǔ)償是人為地附加一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，如圖2所示。

    圖2中，y=a0(T)+a1(T)x是被補(bǔ)償部分的特性，而y'=a0'(T)+a1'(T)x是補(bǔ)償環(huán)節(jié)特性?？傒敵鰕1與輸入x、T的增量表達(dá)式為：

    由式(5)得到，為達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?，其選擇溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)的條件是：

   
    在式(6)中，按a1'(T)≈-a1(T)選擇參數(shù)，可使傳感器的靈敏度提高1倍。
    采用并聯(lián)式溫度補(bǔ)償，從理論上可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，實(shí)際上只能是近似補(bǔ)償。特性曲線(xiàn)的溫度補(bǔ)償只能做到2點(diǎn)或3點(diǎn)是全補(bǔ)償，而其他點(diǎn)不是“過(guò)補(bǔ)償”就是“欠補(bǔ)償”。
2．3 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償法
    所謂零點(diǎn)溫度補(bǔ)償，一般是設(shè)定一個(gè)溫度變化的量，使其與傳感器零點(diǎn)輸出隨溫度的變化相抵消，圖3為應(yīng)變片式傳感器零位補(bǔ)償電路。圖3中，R1為工作應(yīng)變片，R2為溫度補(bǔ)償片，R1、R2具有相同的溫度系數(shù)，且R2具有低的應(yīng)變靈敏系數(shù)。輸出電壓在初始條件下，R1=R2，且處在同一溫度場(chǎng)中，R3=R4，橋路平衡，試件未受力。

    當(dāng)溫度變化時(shí)，應(yīng)變片R1的電阻值會(huì)發(fā)生變化，同理，溫度補(bǔ)償片R2的電阻值也       發(fā)生變化，此時(shí)輸出電壓：

   
    式中，△RT1是應(yīng)變片的阻值隨溫度的變化量；△RT2是溫度補(bǔ)償片的阻值隨溫度的變化量；因R1、R2處在同一溫度場(chǎng)中，則△RT1=△RT2，所以U0=0。
    在電路中加入補(bǔ)償片，可以抵消溫度影響，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。當(dāng)試件受力時(shí)，應(yīng)變片的電阻有新的增量，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量。這種補(bǔ)償方法精度高，但對(duì)材料有要求。
2．4 軟件補(bǔ)償法
    在高精度測(cè)量中，給傳感器附加硬件補(bǔ)償措施很難達(dá)到精度要求。所以，在測(cè)試系統(tǒng)中引入單片機(jī)或微機(jī)，利用軟件方法實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。首先要測(cè)出傳感點(diǎn)的溫度，該溫度信號(hào)作為多路采樣開(kāi)關(guān)采集信號(hào)的一路送入單片機(jī)。測(cè)溫元件通常是安裝在傳感器內(nèi)靠近敏感元件的地方，用來(lái)測(cè)量傳感點(diǎn)的環(huán)境溫度，測(cè)溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)串行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)。等信號(hào)采樣結(jié)束，單片機(jī)運(yùn)行溫度誤差補(bǔ)償程序，補(bǔ)償傳感器信號(hào)的溫度誤差。對(duì)于多個(gè)傳感器，可用多個(gè)測(cè)溫元件，常用的測(cè)溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻、AD950測(cè)溫管、PN結(jié)二極管等。溫度補(bǔ)償原理框圖如圖4所示。

    溫度變化給傳感器的實(shí)際測(cè)量帶來(lái)誤差，表現(xiàn)在靜特性方面。所以找出輸入輸出特性曲線(xiàn)的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，編制出溫度補(bǔ)償的軟件程序，即可實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)補(bǔ)償。

3 結(jié)束語(yǔ)
    在檢測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)測(cè)量的精度要求越來(lái)越高，因此減小或消除溫度誤差顯得尤為重要。上述方法采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償，這是一種簡(jiǎn)便、有效的方法，可大大提高傳感器的測(cè)量精度，降低測(cè)量系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度，提高可靠性，降低成本。其中采用軟件補(bǔ)償方法提高測(cè)量精度。該方法廣泛應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)儀表中，可實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償，這是一條行之有效的途徑。