利用壓力傳感器高精度測量時對其誤差的補償方案

0 引言

在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領域中，都必須進行相關的壓力檢測與分析。壓力傳感器測量誤差大小直接影響到測控系統(tǒng)的性能。擴散硅壓阻式壓力傳感器是應用最廣泛的壓力傳感器之一，它相當于一個有四只電阻的橋路。半導體電阻有溫度系數(shù)，會產(chǎn)生溫度誤差;傳感器的壓敏特性又有非線性誤差。因此，壓力傳感器在實際應用中會有溫度和壓力誤差存在。利用壓力傳感器進行高精度測量時，就要對壓力傳感器的誤差進行補償。按照實現(xiàn)的條件可以將誤差的補償方法分為用硬件電路補償和在智能芯片或微機中以軟件方法實現(xiàn)補償。

本壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上，采用AT89S52單片機控制X型精密硅壓式壓力傳感器MPX2100和高精度積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135等器件，對壓力信息進行采集轉(zhuǎn)換;軟件上，在分析基于最佳擬合直線原理的壓力傳感器非線性補償模型的基礎上，對采集的壓力數(shù)據(jù)進行非線性修正，實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的高精度輸出。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)結構原理

基于單片機的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖如1所示。系統(tǒng)的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，其輸出的模擬信號通過信號調(diào)理電路放大調(diào)理。調(diào)理后的模擬電量在AT89S52單片機的控制下，通過ICL7135進行A/D轉(zhuǎn)換，可以保證系統(tǒng)具有高數(shù)據(jù)采集精度和很強的抗干擾能力，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳送給單片機進行運算及軟件補償?shù)忍幚?。最后將?shù)據(jù)顯示出來，同時可經(jīng)串行接口傳送到上位機，實現(xiàn)良好的人機交換，鍵盤提供人機交互的手段。

1.2 壓力采集及信號變換

Motorola公司的X型硅壓力傳感器與擴散硅壓阻式壓力傳感器的惠斯登電橋不同，其專利技術采用單個壓敏元件呈X型的電阻元件，因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用計算機控制的激光修正技術，溫度補償技術，使其精度很高，并具有極好的線性度和靈敏度。壓力信號經(jīng)高精度壓力傳感器MPX2100變?yōu)殡娦盘?，由于電信號比較微弱，為防止傳輸過程的衰減影響系統(tǒng)精度，系統(tǒng)采用電流傳輸。采集信號經(jīng)過圖2電路調(diào)理后，變換成4～20mA的標準電流信號，通過CMOS型8選1多路開關CD4051選擇之后，輸出到A/D模塊ICL7135進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。

在圖2所示電路中，IC1、IC2、IC3選用高精度運算放大器OP07。第一級由運放IC1、IC2構成差動放大器，電位器RP1用來調(diào)節(jié)第一級輸出電壓的大小;電壓到電流的變換由IC3構成增益為1的差動放大器完成，IC3連接三級管9013作為實際電流源來提供20mA電流輸出;為保證在使用很長傳輸線時仍達到良好的性能，所有相同阻值電阻之間應匹配良好，且在電源與輸出端之間加上電容器C1、C2以防止振蕩。在無壓力時，只要調(diào)節(jié)RP2使在接受器上的電流為4mA;在滿度壓力時，調(diào)節(jié)RP1使在接受器上的電流恰好為20mA。從而保證硬件采集和傳輸過程的精度。