（精密仪器及机械专业论文）压阻式压力传感器的温度误差补偿技术及虚拟仪器的组建(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

压阻式压力传感器的温度误差补偿技术及虚拟仪器的组建摘要本课题是企业为了更好的满足产品的市场需求而委托的研发项目，以研究出一种自动、精确计算压阻式压力传感器补偿电阻大小的方法，以补偿压阻式压力传感器的温度误差。本文基于串并联电阻补偿法的原理，提出了一种基于虚拟仪器的误差补偿方案，推导了在恒流源供电下可以精确的计算出补偿电阻大小和补偿位置的算法，并且在虚拟仪器软件平台l a b v i e w 上完成了数据采集、处理、显示等软件的设计，经过实验的验证，对传感器的零点温度漂移补偿取得较好的效果，而对灵敏度温度漂移的工艺补偿亦有一定的效果。补偿算法参数测量简单可靠，适于规模化生产，对进一步提高传感器的精度，降低生产成本具有重要的意义。关键词：压阻式压力传感器温度补偿数据采集虚拟仪器l a b v i e wc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h e r m a le r r o r so fp i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o ra n dt h ec o n s t r u c t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t sa b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y ，t h em a r k e td e m a n dism o r ea n dm o r eh i g h e r t om e e t t h i sd i r e c t i o n ，w ew e r ea u t h o r i z e dt o d ot h i sp r o j e c ti t e m i nt h i sp r o j e c t ，w ew a n tt os t u d yam e t h o dt h a tc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ec o m p e n s a t i o nr e s i s t o ro fp i e z o r e s i s t i v es e n s o ra c c u r a t e l y s ot h e ycanb eu s e dt oc o m p e n s a t et h et h e r m a le r r o r so fp i e z o r e s i s t i v es e n s o r i ng e n e r a lap r e c i s er e s i s t o ri si ns e r i e sw i t honeo ft h er e s i s t o r si nw h e a t s t o n eb r i d g et oc o m p e n s a t et h ez e r oo f f s e t ，a n dt h eo t h e ro n ei s i np a r a l l e lw i t ha n o t h e ra r mo ft h ew h e a t s t o n eb r i d g et oc o m p e n s a t et h e r m a lz e r od r i f t b a s e do nt h i sp r i n c i p l e ，i nt h i sp a p e r ，ac o m p e n s a t i o nm e t h o db a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yh a sb e e np u tf o r w a r d a c t u a t e db yc u r r e n ts o u r c e ，ag o o dc a l c u l a t i o nm e t h o do fc o m p e n s a t i o nr e s i s t e t sa n dt h e i rp o s i t i o ni nt h eb r i d g ei sd e d u c e d t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m so fd a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dd i s p l a yh a v e b e e nc o m p l e t e do nt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fl a b v i e w b yt h et e s t i n g ，t h ec o m p e n s a t ，i o nr e s u i t so ft h e r m a lz e r od r i f ti sg o o d ，a n dt h o s eo ft h et h e r m a ls e n s i t i v i t ye r r o r so ft h es e n s o r sa r ea l s og o o db yl e c h n i c sc o m p e n s a t i o n t h ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h mt h i sp a p e rp r o p o s e di sr e l i a b l ea n dt h ep a r a m e t e rcanb em e a s u r e de a s il y ，s oi tc a r lb eu s e di nl a r g e s c a l ep r o d u c t i o n i tw i l lb es i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fp i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r sa n dd e c r e a s et h ec o s t s k e y w o r d s ：p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r ：t h e r m a lc o m p e n s a t i o nd a t aa c q u i s i t i o n ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ：l a b v i e w独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金i 曼王些盍堂或其他教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解佥g l 王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权鱼g b 王、业盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名签字日期：年月目学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：导师签名签字日期：年月日电话邮编致谢本论文是在我的导师胡生清教授的悉心指导下完成的。在两年多的学习生涯中，无论是学习上还是生活上，胡老师都给了我莫大的帮助。同时，胡老师极其渊博的知识和严谨的科研作风都极大的感染了我，他也让我懂得了很多做人的道理，在这里，我要衷心的感谢胡老师对我无微不至的关心，不厌其烦的谆谆教导，这一切都将深深的留在我的脑海中，指引我今后的人生道路。同时，我还要感谢我们测控所的黄其圣老师、胡毅老师、王永红老师、陶晓杰老师等；感谢中心实验室的周耀新老师、刘巧云老师、丁苏红老师等，在这两年多的时间里，他们都给了我很大的帮助和关心。我还要感谢我的师兄何涛、王执泉，师姐蒋敏兰、刘芳芳；感谢我的朋友施静、肖风云、张贺新、陈小艳、张登攀、刘湘；感谢同一个实验室里的师弟杨凌波、陈海荣、魏礼俊、代鲲鹏，他们都给了我很多的鼓励和帮助，让我在这里度过了非常愉快的两年多时光。我也要感谢我的父母及其他亲人和朋友，是他们的关怀和期望一直鼓励、支持着我的成长!作者：张文2 0 0 4 年3 月第一章绪论1 1引言新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。传感器技术是当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，作为新技术革命和信息社会的重要技术基础，它与通信技术、计算机技术构成了信怠产业的三大支柱。压力传感器作为传感器大家庭中的一个主要成员，在实际中有着非常广泛的应用前景。其中利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的压阻式传感器具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和便于进行批量生产，使用方便等特点，因而获得日益重要和广泛的应用，是发展非常迅速的一种传感器。由于半导体的特性参数会受温度的影响而变化，因而压阻式传感器受到温度的影响后，将会产生很大的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，这是压阻式传感器最大的弱点，在生产实践中，需要在成品传感器出厂时对其进行初级温度补偿。1 。2 国内外研究摄况在对压阻式压力传感器的温度误差补偿这一领域里，国外一直都走在前列，早在多年前就已经有人在从事这方面的研究，并取得了很大的进步，提出了很多种不同的补偿方法，并已将某些研究成果应用于相关的生产实践中。例如美国著名的传感器公司k u l i t e 公司就基于相关的补偿方法研制出了一套补偿系统，并已经应用于生产，但是这个系统跟一台专用的计算机捆绑销售，而且其价格十分昂贵，每台售价大约要3 5 万美元。在国内，近年来在这方面的理论研究也取得了很大的进步，如沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片的温度灵敏度自补偿工艺，但是都苦于没有一个精确的、可方便的应用于生产实践数学模型来计算补偿电阻的大小，难以实现在生产线上快速自动的补偿，效率不高。1 3 课题来源及研究意义正是基于目前国内外在这方面实际情况，我们受合肥中亚传感器公司委托，帮助他们解决长期以来依靠个人经验来确定压阻式压力传感器电桥补偿电阻大小的窘境。对压阻式压力传感器的温度误差进行补偿是这类传感器制造过程中的重要一环，其补偿效果的好坏将直接影响传感器精度，经过良好补偿的传感器将为后续调理电路提供更精确的信号，也为进一步更精确的硬件或软件补偿打下基础。1 4 本文研究的内容本文将在前人工作的基础上研究出一个对压阻式压力传感器进行出厂初级补偿的方案，具体将完成以下几方面的工作：( 1 ) 确定整个补偿方案；( 2 ) 研究出一套易于应用于生产实践的补偿电阻计算算法；( 3 ) 编制实现上述电阻计算算法的相关程序：( 4 ) 拟合出压阻式压力传感器在不同温度下的零点漂移和灵敏度漂移特性曲线；( 5 ) 实验及相关的数据分析处理；第二章理论分析与补偿算法2 1压阻式压力传感器的原理与结构2 1 1工作原理压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应制成的。单晶硅材料受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。根据欧姆定律，对于导体或半导体材料，其电阻r 可用下式表示：r = p l a( 2 1 )式中p 一半导体材料的电阻率；l 一半导体材料的长度；a 一半导体材料的截面积；微分后得：堡：塑+ ( 1 + 2 , u ) 睾( 2 2 )r口、7 由半导体电阻理论可知：皇竺：而：施占，则式( 2 2 ) 可写成：户塑r = 艚+ ( 1 + 2 警= + l + 2 ) s = x ( 2 - - 3 )式中k = 兀e + l + 2 uo丌一一压阻系数；o 一一应力；u 一一泊松比；e 一一弹性模量；对于金属来说，兀e 很小，可以忽略不计，而泊松比“= 0 2 5 o 5 ，故金属丝的灵敏度系数k o 近似为k o = l + 2 1 5 2对于半导体而言，7 c e 比( 1 + 2 9 ) 大得多，故( 1 + 2 1 t ) 可以忽略不计，而压阻系数兀= ( 4 0 8 0 ) x1 0 m 2 f n ，弹性模量e - - - - 1 6 7 1 0 n m 2 ，故k s = 冗e 5 0 10 0由此可见，k s r 5 0 1 0 0 ) k o此式表示，硅压阻式传感器灵敏度系数k s 要比金属丝应变计的灵敏度系数大5 0 1 0 0 倍。由于半导体材料兀。比( 1 + 2 9 ) 大很多，因而其电阻相对变化可写为a r r = 伽= g o ( 2 - - 4 )式( 2 4 ) 说明，半导体材料电阻的变化率a r r 主要是同a p p 引起的，这就是半导体的压阻效应。在弹性形变限度内，硅的压阻效应是可逆的，即是说在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。2 1 2 压阻式压力传感器的结构早期的压阻式压力传感器是体型压力传感器( 又称半导体应变计式压力传感器) ，它是利用硅单晶切割加工成薄片矩形条，焊接上电极引线，粘贴在金属或者其他材料制成的弹性元件上形成的，当弹性体受压力后便产生应力，使硅受到压缩或拉伸，其电阻率发生变化，产生正比于压力变化的电阻信号输出。随着集成电路技术的迅速发展，这种半导体应交计式压力传感器后来发展成为用扩散方法在硅片上制造电阻条，即扩散硅压力传感器( 又称固态压阻式压力传感器) 。它是在n 型硅片上定域扩散p 型杂质形成电阻条，连接成惠斯通电桥，制成压力传感器芯片。本文我们主要是以扩散硅压力传感器为研究对象。【2 】扩散硅压力传感器的结构如图2 一l a 所示。其核心部分是一个圆形的硅膜片( 见图2 - l b ) ，在沿某晶向切割的n 型硅膜片上扩散四个阻值相等的p 型电阻，构成平衡电桥，使电桥的相邻桥臂的电阻变化方向相反，即分别受拉伸力和压缩力。沿 晶向的电阻排列见图2 1 c 。片坼c 图2 - 1 压阻式压力传感器硅膜片周边用硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部为低压腔，通常与大气相通。在被测压力p 作用下，膜片产生应力和应变，p 型电阻产生压阻效应，其电阻发生相对变化。膜片上各点的应力分布为：d ，= 暑【( 1 + p 2 = ( 3 + h 2 】( 2 5 )铲器 ( 1 + 卢p 2 一( 1 + 3 1 t b 2 ( 2 - - 6 )式中o ，一一径向应力；a 。一一切向应力；4p 一一膜片材料的泊松系数，对硅u = 0 3 5 ；p 一一膜片承受的压力；r 、x 一一膜片有效半径、计算点半径；h 一一膜片厚度。图2 2 为g ，、a t 和x r 的关系图。可以算出a ，在x r = 0 6 3 5 时为零值。四个p 型电阻沿 晶向并分别在x = 0 6 3 5 r 处的内外排列，在o 6 3 5 r 之内的电阻承受的a 。为正值，在0 6 3 5 r 之外的电阻承受的o ，为负值。鼍掣(8、j；q3 p , u ，。孓汰j4、) 2j0o 5 荔侈4图2 - 2 平膜片的应力分布图由图2 1 c 看出，在n 型圆硅片上，沿 晶向，于0 6 3 5 r 半径内外各扩散两个电阻，由于 晶向的横向为 ，因此兀z 和矾分别为z 4 “4 4 24 0则a r r 2 f f z 盯z + 万 盯 27 4 4 0 ，2( 2 - - 7 )内外电阻的相对变化为( 警) 。= 扣孑一( 2 - - 8 )( 铽= 一知孑。cz 吲式中元、孑一内、外电阻上所受径向应力的平均值。设计时，要正确地选择电阻的往向位置，可使i 万卜f ，。l ，因而使r ) ，= 一( a r r ) 。用这四个p 型电阻组成差动电桥，初始状态平衡，受力p后，差动电桥输出与p 相对应。为了保证有较好的测量线性度，应控制膜片边缘处径向应变， 仲旧温元件1 卜- +路里采片i 传感器2-样机接开c b口旧 j 朊件2-关图2 - 5 智能传感器补偿原理如图2 - 5 所示的智能传感器示意图就是典型的“桥外补偿法”之一。在传感器芯片附近通过集成电路的相关技术置入一个温度传感器，用来感应传感器周围的环境温度变化，传感器的输出和测温元件的输出经放大及a d 转换送到单片机，单片机通过并行接口接收数据，并暂存温度数据，通过单片机中预编写的程序完成对传感器温度漂移的补偿，并输出补偿后的传感器信号。系统没有对因温度变化而改变的电阻进行补偿，而是将传感器的输出电压u 。减去其零点温漂电压u 。，以此作为输出结果：u o = u s u t图2 - 6m a x l 4 5 7 原理图另一种较理想的桥外补偿法如图2 - 6 所示。它是集信号处理、温度补偿于一体的压阻式传感器专用信号调理芯片( s s c ) ，近年来，这种方法以其高集成、多功能的优点极大的提高了扩散硅压力传感器的性价比。这类芯片的温度补偿方法与单片机智能补偿类似，通过温度传感器检测环境温度，温度值经a d 转换作为地址指针，储存在存储器中此地址的零点和灵敏度温度修正系数经d a转换成模拟量，修正传感器输出信号中零点温度漂移和灵敏度温度漂移。其中的温度传感器有的集成在传感器芯片内，有的外接，还有的利用扩散硅压力传感器桥路电阻的温度敏感性来感应温度，如美国m a x i m 公司的m a x l 4 5 7 即是基于这一原理的一款芯片。虽然桥外补偿法比桥内补偿法更容易获得较高的精度，但是经过桥内补偿法补偿过的传感器将为使用桥外补偿法奠定了基础。且桥内补偿是硅压阻式传感器制造过程中一个必须的工艺过程，其重要性是不言而喻的。本文主要研究的就是“桥内补偿法”中常用的串并联电阻补偿法。二串并联电阻补偿法压阻式传感器在硅芯片上扩散出v i的四个桥臂电阻，一般是将其连接成惠斯通电桥。为使电桥的灵敏度最大，将一对阻值增加的电阻对接，将另一对阻值减小的电阻也对接，如图2 7 所示。在图2 - 8 所示的串并联电阻补偿图2 7 惠斯通电桥o法原理图中，其原理在于通过串并联于桥臂上的电阻来调节电桥的零点输出，并使其零点输出随温度变化而产生的漂移控制在尽可能小的范围内。其中，串联电阻r s 主要起调零作用，并联电阻r p 主要起补偿作用，且r s 、r p 通常选用温度系数极小的金属膜电阻，所以可认为其温度系数为零。其关键在于准确的计算出串并联电阻r s 、r p 的大小。根据供电方式不同，补偿电路可以分为两种情况，即恒压源供电方式和恒流源供电方式，以下我们分别对两种供电方式进行分析比较，并推导补偿电阻的计算公式。2 3 补偿电阻计算公式的推导对补偿电阻r s 、r p 的求解，前人已经做了许多工作，大多数人都采用前苏联a r i crh6ob 等人导出的如t 公式计算：( 有关详细推导请参见 传感器技术手册 )耻蜀去耻警，其中k = 警+雁下磊ol 、o2 、c 13 、o4 为四个桥臂电阻的温度系数：要测量并计算这四个温度系数十分麻烦，而且由于计算r p 的公式中还出现了( 卜k ) ，而k 又可能非常接近于l 。从计算方法的理论可知，两个接近数相减是一种病态问题，如果在测量和计算这四个温度系数时产生微小的误差，则( 卜k ) 的相对误差就可能会很大，从而使计算出的补偿电阻阻值误差较大，这就会使补偿效果不佳，甚至将本来就已较好的传感器，通过这一补偿，反而变差了，所以在公式中出现( 卜k ) 是该算法的严重缺陷，应该重新寻求别的计算补偿电阻的方法。2 3 ，1 恒流源供电在惠斯通电桥中，补偿电阻的接法有1 6 种之多，现以如图2 8 所示的恒流源供电电路为例进行分析【3 1 。根据电桥平衡理论可知，图2 - 8 所示电桥在未接补偿电阻时应该满足：v o = i 。垦! ：垦! 二垦! ：垦! ( 2 - 1 2 )。r i + r 2 + r3 + r 4其中id 为供电电流源的大小。而由于四个桥臂电阻的参数不匹配，使图2 8 恒流源供电补偿原理图得在零点时式( 2 - 1 2 ) 式的r l r 3 一r 2 r 4 0 ，且随着温度的变化而变化。因而可以在桥臂上串、并联上适当的电阻来消除这种不平衡，使r i r 3 - r 2 r a = 0 ，并使其随温度的变化趋于0 ，这就是零点温度漂移补偿的目的。当给电桥串并联上如图2 8 所示的电阻进行补偿时，要达到补偿的效果使电桥的零点温度漂移为零，则要满足下列式子的要求：【r i ( t ) 1 r e l i e 3 ( r ) + r s 卜r 2 ( r ) 尺4 ( t ) ，r l ( t ) r p + 玛( r ) + r s + r 2 ( 丁) + r 4 ( 丁) “，。，。、( r i r p ) ( 只3 + r s ) 一足2 r 4rnr i ，r p + r ，+ r s + 尺2 + r 44 “。其中r i ( t ) 一四个桥臂电阻在温度t l 时的阻值( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) ；r i一四个桥臂电阻在温度t o 时的阻值( t i t o ) ；i d一恒流源；r s 、r p 一串、并联电阻：-同时，补偿后的电桥的零点漂移也应该为零，则有：! 墨! ! 墨! 丛墨i 墨! ! 二墨! 墨! ，：0( 2 1 4 )r l r p + r 3 + r s + r 2 + r 4 “14，4为简化计算，令r = 三r ，r ( r ) = 尺，( r )1 0式中r 一一温度为t o 时桥臂电阻的平均值；r ( t ) 一一温度为t i 时桥臂电阻的平均值；在式( 2 - 1 4 ) 礼掣耻篇2 盘阉耐靴熊冁聪：r ，m 耻球卜每每一等+ 一般认为r p 5 0 r 、r s 0 0 2 r 的传感器才有补偿价值，故将以上的泰勒展开式略去高次项得：r l r p r 1 一生r( 2 一同理可得：o1 5 )又聊r e * r , ( 7 ) - 挈r l ( t ) + r 2 ( t ) + r 3 ( t ) + r 4 ( t ) 4 r ( t )r l + r 2 + r 3 + r 4 4 r( 2 1 6 )( 2 1 7 )( 2 1 8 )v t 2 瓦鲁罴孳要g 爱吕等茏为补偿前传感器在温度t t 时的零点输出；= i 赫为补偿前传感器在温度t 。时的零点输出；a v o = v l v o ，即为t l 、t o 之间的零点漂移；由于r p ，5 0 r 、r s 0 0 2 r ，将( 2 - 15 2 1 8 ) 式分别对应代入( 2 - 13 ) 式中，并用将其中的r i 用r 近似，r i ( t ) 伟jr ( t ) 近似，化简可得：( 公式的具体推导过程请见附录)卧”宰卜革拈。( k + 半卜半拈o( 2 _ 1 9 )以同样的方法对( 2 - 1 4 ) 式进行化简可得：+ 举：。，联立( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 两式组成方程，解得r s 、r p 的值如下：驴丢 器筹一叫( 2 - 2 1 )r 。；& 鲤盟二衄( 2 2 2 )4 ( _ 一)而根据惠斯通电桥可知，整个电桥在温度为t l 、t o 时的等效电阻r b r l 、r b r o 可分别近似认为：r b r l = r ( t ) ，r b r 0 = r ；因而，在温度分别为t l 、t o 时，电桥在补偿前恒流源供电时的电桥输入端电压( 简称桥压) v b r l 、v b r o 分别可用以下式予表示：v b r i = i d r b r i ：v b r 0 = i d r b r 0则( 2 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 两式可分别化为：r 。= 丢i 篓；云；! ；詈；一i = 丢( 黑一 ( 2 - 2 3 )r 。：& 篷q = 豳：v 2 b r i - - p 2 b r 0( 2 2 4 )。4 ( 巧一k )4 l 从公式可以看出，在恒流源供电下，对于待补偿的传感器，只需测量出传感器补偿前在温度t l 、t o 时桥压v b r i 、v b r o 和零点输出电压v l 、v o ，即可根据公式( 2 2 3 ) 和( 2 - 2 4 ) 计算出补偿电阻r s 、r p 的大小。2 3 2 恒压源供电【3 j若给电桥以恒压源供电，以如图2 - 9 所示的补偿原理图进行分析。要使补偿后电桥的零点温度漂移为零，根据电桥理论同样应有：k i ( t ) r p 肛3 ( r ) + r sj r 2 ( t ) r 4 ( t ) 。阮( 丁) ，耳+ r 2 ( 丁) k 3 ( 丁) + 咫+ r 。( r ) pr 。一9 e 、一! 墨! ! 墨丝墨墨! ! 二墨! 墨! y ：0( r l ，r p + r 2 ) ( r 3 + r s + r 4 ) “其中v d 为供电的恒压源的大小，其余符号的意义与( 2 - 1 3 ) 中相同。同理，补偿后的传感器的零点漂移也应该为零，即：毒堕坐丛苎i 芒丛生墨4 _ 矿，：o ( 2 - 2 6 )【( r i r p ) + r j ( 足3 + r s + r 4 ) 4根据与以上恒流源供电相似的公式推导方法，可以推导得恒压源供电时r s 、r p 的计算公式：r 。：4 r r ( t 了) v o r j ( t ) - v i r ( 2 2 7 )6 r 2 一r 2 ( r ) 】驴黼对以上两种不同供电方式作用的补偿方法进行比较可知：恒流源供电方式推导出来的补偿电阻计算公式中的待测量v b r l 、v b r o 和v 1 、v o 比较容易获得，图2 - 9 恒压源供电补偿原理图而在恒压源供电时，其补偿电阻计算公式( 2 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) 中的待测量r 和r( t ) 在实验中就比较难以获得，且不利于批量化生产，因而在本文中我们采用第一种方式，即以恒流源供电来获得补偿电阻r s 、r p 的大小。用恒流源代替恒压源供电还有利于减小灵敏度温度漂移。2 3 3 补偿电阻位置的确定串并联电阻补偿法中，补偿电阻的接法达1 6 种之多，虽然以上的推理是根据图2 8 所示的电阻连接方式而来，但对于r ”r p 其他连接方式，经过上述同样的简化和推理方法，可以推理出同样的公式，只是符号不同而已。所以不论r s 、r p 如何连接，我们都可以根据以上公式计算出r ”r p 大小和符号，然后根据其符号( 以上述推理确定的符号为正号) 确定其应连接的位置：r p 0 则i r p l 并于r l 或r 3 上：r p 0 则l r s l 串于r l 或r 3 上；r s 固：多通道采l 堡壁塑! fj p c集卡影机固：)附件网p恒温箱图4 - 1 实验结构图以下将对系统各个部分的配置及其功能进行详细的阐述。4 1 1 数据采集( d a o ) 系统的组成一概述从最基本的角度出发，d a q 系统的主要任务是测量或生成物理信号。构成d a q 系统常常有两种方案：第一种方案是在带有p c m c i a 插槽的超级计算机、桌面机或笔记本电脑中插入d a q 卡，即d a q 卡是安装在计算机内的，称之为插入式d a q 方案。第二种方案则是将d a q 卡安装在计算机外部，在这种方案中，可以使用没有插槽的计算机( 如菜些笔记本电脑) 来构建d a q 系统，计算机和d a q 模拟之间可以通过各种总线，比如并行端口进行通信。因而，当用户需要将d a q 系统带入工作现场，进行远程数据采集和控制应用时，第二种方案就显得更为可行。在本文研究的系统中，我们采集第一种方案。实际上，在插入式d a q 方案中，插入式的d a q 卡仅仅是系统的一个组成部分，除了插入式d a q 卡之外，一个广义上的d a q 系统通常还包括传感器和转换器，信号调节装置以及一套用于获取、处理数据行，分析、显示、存储数据的软件。因此，在这个意义上，可以把本文研究的补偿系统看作是一个广义上的d a q 系统。在基于计算机的系统测量到物理信号之前，需要通过传感器( 或转换器)将物理信号转换为电信号( 如电压或电流) 。通常，不能像使用其他一些独立仪器那样，直接将信号接入计算机上的插入式d a q 卡中。在许多情况下，所测量的物理信号是非常低的电压，并且对噪声敏感，在这种情况下，将所测量的信号转换为计算机使用的数字格式前需要进行放大和滤波。信号调节设备可以在插入式d a q 卡将所测量的信号转换为数字信号前对其进行调节。而d a q系统由软件控制获取数据行、分析数据并得出结论。而在本文研究的系统中，我们需要获得的正是传感器输出的不经过调理的原始信号，因而在本实验中，我们在系统中没有设计信号调理环节。而系统对实验室的环境的要求较高，而一般来说，生产厂家的实验室中都具备较好的实验条件，周围的环境噪声并不大，因而环境的影响不会太大。且系统采用精确的恒流源供电，在一定的程度也增加了系统的抗干扰性。二d a q 卡的构成及配置根据实验室现有的条件，我们选用的数据采集卡型号是n i 公司的p c i 一6 0 2 4 e ，和许多的数据采集卡一样，它由以下几个主要部分构成：( 1 ) 多路开关多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。( 2 ) 放大器放大器将待采集信号放大或衰减至采样环节的量程范围内。通常实际系统中，放大器的增益是可调的，设计者可根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。( 3 ) 采样保持器采样保持器取出待测信号在某一瞬间的值，即实现信号的时间离散化，并在、a d 转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样保持器。( 4 ) a d 转换器a d 转换器将输入的模拟量转化为数字量，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，通常将采样，保持器同a ，d 转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在p c 机的前向通道中，是组成数据采集卡的主要部分。其他相关电路，如定时计数器、总线接口电路等也集成在电路板上，完成对信号数据的采集、放大及模，数转换任务。数据采集卡p c i 6 0 2 4 e 电路上还装有数模转换器( d a ) ，它处在p c 的后向输出通道，用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。它一些主要参数指标如下：( 1 ) 采样通道数目：1 6 个单端输入通道( 8 个差动输入通道) ：( 2 ) a d c 的类型：逐次逼近型；( 3 ) a d c 分辨率：1 2 位：( 4 ) 单通道最大采样速率：2 0 0 k s s( 5 ) i o 接口管脚数：6 8 针；( 6 ) 输入信号范围：见表4 - - l ：随着放大器增益的不同，该d a q 卡有不同的双极性输入信号范围。可以对每一个通道进行不同的增益设置，以充分的利用a d c 的1 2 位分辨率。表4 - 1列举了使用不同增益时的输入信号范围和相应的精度。其精度可以用下列公式计算：- = 罢蔫( 4 - 1 )z其中r a n g e _ 如a q 卡的区间，即输入信号电压范围；r e s 0 1 u t i 彻d a 0 卡的分辨率，单位用b i t 表示，在这里，即1 2 b i t ：v c 胪_ d a q 卡能检测到的输入信号的最小变化值，通常称为编码宽度；表4 - - 1增益输入信号范围精度10 5一1 0 t o + l o v4 8 8 m v1 o- 5 t o 5 v2 4 4 m vl o o5 0 0 t o 5 0 0 m v2 4 4 1 4 耻v1 0 0 o5 0t o + 5 0 m v2 4 4 1 州h1 啦a d c 的i l s d 的大小；鲫随着1 2 位a d c 计数次的变化而产生的电压增量变化。说明t 参照文献 3 0 】的附件ac 奴范说明) ，以获得最大额定值。数据采集卡的输入信号形式有三种类型：非参考点单端输入( n r s e ) 、参考点单端输入输入( r s e ) 以及差动输入( d i f f ) ，使用不同的输入形式，就可以对放大器采取不同的连接方式。在采集应用中，如果使用单端输入形式，则最大可以有1 6 个输入通道；若采用差动输入形式则最大只有8 个输入通道，而在应用中也可以使用混合形式输入，即一部分通道采用单端输入形式，而另外一部分则采用差动输入形式。在本文研究的系统中，由于待采集的各传感器的输出信号和桥压彼此之间是相互独立的，各输入信号需要一个独立的参考地，因而我们采用第三种输入信号形式( d i f f ) ，即差动形式。且采用差动形式的信号连接可以减小噪声，增加共模抑制比。使用差动模式的连接方式，p g i a 不但可以抑制输入信号中的共模噪声，而且可以抑制信号源与采集卡地电位之间的电势差。在d i f f 模式下，由于每只传感器需要采集两个信号，共占用4 个输入通道，因此，基于采集卡p c i 一6 0 2 4 e 的这一系统一次可以完成对4 只传感器的信号采集。将连接到通道0 7 ( a c h ) 的信号连接到仪表放大器( p g i a )的正输入端，而将连接到通道8 1 5 ( a c h ) 的信号连接到仪表放大的负输入端。针对本文研究的系统，我们将通道进行如下分配：a c h 0 + a c h 8 ：采集传感器l 的桥压v b r l ( v b r o ) ；a c h i + a c h 9 ：采集传感器l 零点输出v l ( v o ) ；a c h 2 + a c h l 0 ：采集传感器2 的桥压v b r l ( v b r o ) ：a c h 3 + a c h l l ：采集传感器2 的零点输出v 1 ( v o ) ；以此类推为了便于信号的连接，此采集卡需要配置相应的接线板，这里我们选用的是6 8 针的接线板c b 一6 8 l p 。差动模式下的通道连接原理图如图4 2 所示。图4 - 2d i f f 模式通道连接图三d a q 卡的安装与软件设置p c i 一6 0 2 4 e 是基于p c i 总线的插入式结构，在使用前要进行硬件安装和软件设置。硬件安装就是将数据采集卡插入p c 机的p c i 总线扩展插槽内。在对采集卡进行软件设置之前，必须要先安装数据采集卡厂商配备的驱动程序( 如n i 公司的n i d a q ) ，其安装方法与常用的一些应用软件的安装方法类似，请参考采集卡用户手册。在确定采集卡的驱动程序安装成功以后，要使数据采集卡正确的实现数据采集功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置，这就是数据采集卡的软件驱动。待设置的参数主要有采集卡的设备号及地址码，通常情况下，这两个参数由系统自动分配，不需要手动配景。除此之外，还有如下参数需要手动设置。信号的输入方式：此处设置为双极性信号双端差动输入。选择增益：根据表4 一l ，对采集传感器桥压v b r 的通道将增益设置为1 ；对采集传感器零点输出电压v 的通道将增益设置为1 0 。选择输入信号范围：根据表4 1 和增益设置，选择采集传感器桥压的通道输入信号范围为5 v + 5 v ；选择采集传感器零点输出电压v 的通道输入信号范围为5 0 0 m v + 5 0 0 m v 。设定采样信号输入通道：如前所述。设定采样点数：在软件在完成，例如设置为2 0 。设定采样速率：每通道都设置为1 0 k s s 。采集卡及其驱动程序成功安装之后，打开m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r 软件，在其中的d e v i c e sa n di n t e r f a c e s 项中就会发现安装好的p c i 一6 0 2 4 e ，在右边显示栏中将显示出此硬件的设备号和系列号，表示此硬件已经成功安装。然后可以对数据采集卡进行测试和属性设置，在这里我们主要对采集卡的模拟输入( a i ) 属性和附件属性( a c c e s s o r y ) 进行设置，其他属性使用其默认值即可。点击p c i 6 0 2 4 e 的属性p r o p e r t i e s 项，将a i 项目中的极性( p o l a r i t y ) 设置为双极性( 1 0 v + 1 0 v ) ，将模拟信号输入方式( m o d e ) 设置为差动方式( d i f f e r e n t i a l ) 。在a c c e s s o r y 属性中选择所使用的附件c b 6 8 l p 。除了进行上述参数设置之外，要使采集卡完成采集功能，还必须在m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o n 软件中对所用到的模拟输入通道设置虚拟通道，这些虚拟通道将在程序的a is a m p l ec h a n n e l s 模板中作为c h a n n e l s 的参数，并且为实际的物理通道指定一个描述性的名称。它的设置在m e a s u r e m e n t &a u t o m a t i o n 的d a t an e i g h b o r h o o d 项中进行完成：右键点击，在弹出菜单中选择c r e a t en e w ，然后选择v i r t u a lc h a n n e l ，点击f i n i s h 后即开始虚拟通道的设置。设置步骤如下：( 1 ) 设定一个描述性的名称。( 2 ) 选择被采集的传感器类型。( 3 ) 设定测量单位。( 4 ) 设置刻度区间值。根据前面的叙述，实验中需要采集的是传感器的原始信号，因而不对刻度区间作线性放大，选择n os c a l i n g 。( 5 ) 选择d a q 硬件名称，在这里，我们选择已经安装的采集卡p c i 6 0 2 4 e 。( 6 ) 选择输入模式和通道号。这里我们选择的输入模式为d i f f 差动模式，不同信号的通道号根据前面的规定进行设置。完成后在d a t an e i g h b o r h o o d 项中将显示虚拟通道的名称，并可在p r o p e r t i e s 中对其参数作进一步的修改与设定。完成对采集卡的以上参数设置，就可以真正的用采集卡开始采集数据了。4 1 2 待补偿传感器的有关设定实验中选取的若干个待补偿传感器均为扩散型压阻式压力传感器，其型号为m p x 系列，其主要的参数如下：测量范围：0 1 0 k p a ：激励电压：+ 5 + 1 0 v ；工作温度范围：一2 0 。c + 8 5 。c ；输出电压范围：o 2 5 m v ( 满量程) ：频率范围：1 0 k h z ；传感器外形及芯片引线图如图4 3 所示。在应用中，传感器电桥的四根引线一般都连接成如图所示的形式，且从有“缺口”的引线开始，依次编号为、，如图4 3 所示。且在应用中规定：、分别为供电电源的正、负输入 图4 - 3 传感器引线特征端，、分别为传感器的正、负极输出端。基于引线的这些特征，在由四个扩散电阻组成的惠斯通电桥中，将四个桥臂电阻进行如图4 - 4 所示的标号，以与第二章所讲述的补偿公式及补偿电阻位置判断方法相匹配。从图4 4 可以看出，我们将引线之间的电阻r 规定为r l ，将之间的电阻r 规定为r 2 ，将之间的电阻r o 规定为r 3 ，将之间的电阻、r 规定为r 4 。所以，在实验补偿中，当由补偿公式计算出r s 、r p 的大小，根据其符号和2 3 3 节的补偿位置确定办法确定出其补偿位置后，就可以根据以下的对应关系将r l 、r 2 、r 3 和r 4对应到实际的电桥桥臂上：v ir 1 r ；r 2 - - r d ；r 3 r ；r 4 r ；图4 - 4 引线与桥臂电阻o4 2 实验与数据分析4 2 1 实验步骤针对本实验的特点，我们设计如下实验步骤：( 1 ) 将未接补偿电阻的4 只传感器置于恒温箱中，测量其零点输出、随温度变化的零点温度漂移，并记录每次的实验数据；( 2 ) 取厂方提供的成品传感器做以上实验，同样记录相应的数据；( 3 ) 将接上补偿电阻的4 只传感器置于恒温箱中，再做上述实验，记录相应的实验数据，并拟合传感器的零点漂移曲线和灵敏度漂移曲线：在应用中，工业级的温度范丽被规定为：2 0 0 c + 8 5 0 c 。因而在这里我们选取的两个实验温度点分别为：t o = 1 0 0 c 、t l = 7 0 0 c 。4 2 2 实验数据及分析( 1 ) 零点输出及温漂( 表4 - 2 ，)表格中“补偿前”为未接补偿电阻的传感器的测量结果，“补偿后”为该传感器接上补偿电阻后的测量结果，而“厂方成品”为厂家提供的同一类型的已经补偿的传感器的测量结果。( t o = 1 0 。c 、t l = 7 0 。c )表4 2单位：m v补偿前厂方成品补偿后零点零点零点零点零点零点编号零漂零漂零漂( t o )( t 1 )( t o )( t 1 ) t o ) ；i d一恒流源；r s 、r p 一串、并联电阻：同时补偿后的电桥的零点漂移也应该为零，则有：群r 筹r 羰rr 例c o z ，月lp + 3 + 月s + 2 + 4 “为简化计算，伽2 专蕃彤即) 2 寺善r i ( t )式中r 一温度为t 。时桥臂电阻的平均值：r ( t ) 一一温度为t l 时桥臂电阻的平均值：再令图o - 1 恒流源供电补偿原理图a = 去口为桥臂电阻温度系数的平均值；v l = 娄姿卫鱼罢二垦罢黑为补偿前传感器在温度t 。时的零点输出：r 1 ( 7 ) + r 3 ( 7 ) + r 2 ( 丁) + r 4 ( r )”一一一。“= 瓦 畿为补偿前传感器在温度t 。时的零点输出：a v o = v l v o ，即为t l 、t o 之间的零点凛移：a t = t i t o ；a f z i = o i 一；a r i = r i - - r ；由于电桥外接的补偿电阻r ”r p 通常选用温度系数极小的金属膜电阻，所以可以认为其温度系数为0 ，而一般认为r p 5 0 r ，r 。o 0 2 r 的传感器才有补偿价值。4 5 戡渺z 肿棚胛，5 格2 矗阄耐靴熊冁艄r ，m 耻州l - 彤r 1 i 矿r j2 每+ “)略去高次项得：m 即即等( 0 3 )帅喁喁( 驴挈( 0 _ t ( 峒一宰心7 1 沪峒蹦即而莩丽蕊l 一协。，兰拿竺竺兰驴。铲菩般一洲：袱。聊炯础：( 蚓聃( 聊一挈心一号蛔( 0 - 6 )同理。对( 0 - 5 ) 式中第二项的分子进行化