的温度特性压阻式压力传感器的补偿校准方法硬件补偿软件补偿本章小结校准系统总体设计校准系统的总体设计要求校准系统的功能要求校准系统的结构要求校准系统总体设计方案校准系统总体方案设计校准系统硬件总体设计校准系统软件总体设计校准系统机械结构设计校准系统气路设计本章小结校准系统硬件载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是史密斯在年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。半导体压阻传感器已经广泛地应用于航空化工航海动力和医疗等部门。半导体硅的电阻会因外界压力的变化而变化，电阻的大小不仅与外界压力的大小有关而且还与其自身的压阻系数有关。扩散杂质的表面浓度和环境温度是影响压阻系数的主要因素。环境温度扩散杂质表面浓度压阻系数和灵敏度之间的对应关系如下压阻系数随环境温度的升高而减小，随环境温度的降低而增大，与此同时，传感器的灵敏度随压阻系数的减小而降低，反之则增大压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，随扩散杂质浓度的降低而增大，与此同时，传感器的灵敏度随压阻系数的减小而降低，反之则增大，。适合制作压力传感器的材料是很多的，这种多样性必须就造成了其结构和原理上的多样性，原理上的多样性主要体现在把外界压力转换成电信号的规律不相同。在研究压阻式压力传感器的结构原理的时候就要考虑到这种差异，下面列出的三种传感器类型是常见的弹性体压力传感器的结构。传感器结构图如下图所示。弹性圆柱敏感元件实心和空心悬臂梁圆形膜片和膜盒。万方数据中国计量学院硕士学位论文图压阻式压力传感器结构图压阻式压力传感器的温度特性半导体的导电能力会发生明显变化在收到外界光和热的刺激后，根据半导体相关理论可知半导体材料对温度的变化都比较敏感，半导体的导电能力将随温度的增大而增强。因而由半导体材料制作的压阻式压力传感器受到温度变化影响后，传感器的输出信号将产生变化，即为温度漂移，通常将压阻式压力传感器的温度漂移分为零点温度漂移和灵敏度温度漂移两种。下面将对这两种温度漂移的产生原因进行理论分析。零点温度漂移方面理想状态下，组成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值应该是相等的，因而在电桥处于平衡时，电桥的输出应该为零。但在制作压阻式压力传感器的过程中，组成惠斯通电桥的四个扩散电阻的阻值由于制作工艺的局限性不可能制作得完全相等，所以电桥的输出不为零当外界压力为零时。扩散硅压力传感器在压力为零时输出存在非线性，即电桥的输出不为零当外界压力为零时，这种零点输出漂移将随温度发生漂移，即产生零点温度漂移。另方面，由于桥臂电阻的分布位置具有定的离散性，使得利用扩散硅技术进行的电阻浓度掺杂很难完全样。最后，还要考虑的原因是电路工作时电阻产生的焦耳热热膨胀产生的应力，这些因素也会导致零点漂移另外反向漏电流的作用也是不可忽略的。灵敏度温度漂移方面的原因是压阻系数会随温度变化。压阻式压力传感器的灵敏度与压阻系数有密切关系，压阻系数还和温度有密切关系，其变化规律为温度降低，压阻系数变大温度升高，压阻系数变小。因此产生灵敏度温度漂移的个重要原因是由于灵敏度是温度的函数。另方面的原因是扩散电阻间的热应力。扩散电阻制作在氧化层上，由于它们具有不同的的热膨胀系数，温度发生改变后，就会产生附加的热应力，也就产生了附加的压阻效应，是产生灵敏度温漂的原因之。最后，还要考虑的原因是浓度的掺杂，灵敏度万方数据中国计量学院硕士学位论文及其温度系数与浓度的掺杂的关系十分紧密，因此扩散技术的局限性造成的桥臂上四个电阻的掺杂浓度的微小差别也是造成灵敏度温度漂移的原因之。压阻式压力传感器的补偿校准方法压阻式压力传感器温度漂移的补偿方法分为硬件补偿和软件补偿。硬件补偿硬件补偿的原理为在校准系统中加个附加电路，使其产生个与温度漂移值大小相等极性相反的值，从而实现二者的相互抵消进而实现补偿效果。硬件补偿采用结构对称的方式作为其主要的补偿方式，分别独立对零点漂移和灵敏度漂移进行补偿。硬件补偿零点漂移常见的方法有桥臂热敏电阻补偿法桥外并接热敏电阻补偿法桥外串接热敏电阻补偿法双电桥补偿技术桥臂上串并联恒定电阻法自平衡电桥补偿技术。利用热敏电阻随温度的变化来补偿桥路输出随温度的变化作为常用的零点温度漂移补偿方法。在热敏电阻补偿法中，热敏电阻和桥路所在环境的温度各不相同，而且热敏电阻在桥路以外，此外桥路的输出随温度的变化很难实现与热敏电阻阻值随温度的变化的完全匹配。还有点就是，电路中接入热敏电阻必然带来传感器体积的增大，其总体的补偿精度也是相当有限的。鉴于热敏电阻补偿法的补偿精度有限，有人提出采用双桥法，双桥中个电桥用来测量压力，另个电桥用来测量温度。该补偿方法虽然能解决上述方法的不足，但是它只能补偿零点漂移，而无法对灵敏度漂移进行补偿。硬件补偿灵敏度漂移常见的方法有恒流源供电补偿法厚膜电路补偿法二极管补偿法自平衡电桥补偿法以及热敏电阻补偿法。硬件补偿具有实时性等优点，但是由于很多因素都影响电路造成硬件补偿只能对其中其中的部分待补偿因素进行补偿，故对其进行实时调整也十分麻烦。近年来，大量的科研人员在硬件方面进行技术研究对传感器进行补偿，这方面的研究基本已经达到技术上的极限，但传感器补偿后的精度仍然达不到要求。而且通过硬件方法进行补偿只对系统误差和相关已知误差起作用，对随机误差则无法起作用。万方数据中国计量学院硕士学位论文软件补偿软件补偿并没有对压力传感器本身进行硬件上的操作，而是将压力传感器和微型处理单元做成个整体，充分利用微型处理单元的整体控制运算及数据处理等功能，同时再结合微型处理单元中的补偿算法对压力传感器的温度漂移进行补偿，通过补偿不仅可以对压力传感器的温度漂移进行补偿，而且还可以对压力传感器的非线性指标进行改善，从而进步提高压力传感器的测量精度，能够保障压力传感器在整个温度范围内具有较好的温度稳定性。软件补偿与硬件补偿相比，软件补偿具有更高的精度和更好的实时可调性，而且成本更低。下面介绍几种常见的软件补偿方法查表法智能传感器的发展初期，人们就开始运用微型处理单元的运算及数据处理功能利用些补偿算法来改善压力传感器的测量精度，其中种经典的方法就是查表法。查表法的实质是种分段线性插值法。该方法会根据精度的要求对非线性的曲线进行分段，用折线段逼近曲线，测量时要首先确定被测量的电压值是在哪个区间，然后根据该区间内的线段的公式进行线性插值，即得输出值。其示意图如图所示。图非线性反演的折线逼近万方数据中国计量学院硕士学位论文下面以四段为例，各线段的输出表达式第段第段第段第段折线和折点的确定方法有两种近似法与截线近似法。按照精度的要求，无论采用哪种方法，每种方法所确定的折点段和折点坐标值和原曲线之间的误差要不大于所允许的最大误差，及。下面逐介绍这两种方法近似法该方法的精髓在于折点在误差界上，故折点处的误差最大。折线与原曲线之间的误差的最大值是，且误差值有正有负。其示意图如图所示。截线近似法该方法的精髓在于折点在曲线上且误差的绝对值最小。折线与原曲线之间的最大误差出现在折线中部，但是最大误差值也要不大于允许的最大误差，同时要确保各折线段的误差符号相同，即全部同时为正或者负。其示意图如图所示。万方数据中国计量学院硕士学位论文，图近似法图截线近似法二维回归分析法被测压力值可以用输出电压值和温度的二元函数来表示，即，由二维坐标，决定的压力值在平面上，可使用二次曲面拟合方程，即二维回归方程对其进行描述式中，到为常系数，为高阶无穷小。通常根据最小二乘法原理确定上面的二次曲面拟合方程式的常系数，由此方法求得的常系数满足误差最小条件。由二次曲面拟合方程计算得到的，与标定值之间存在误差，其方差为总计有个标定点，其均方差应为最小由此可见，均方差也是常系数到的函数，再根据多元函数极值条件，分别另均方差关于到的偏导数为零，由此解方程组便可得出到，代入便可解出。神经网络法神经网络是近年来才兴起的方法。它是对人脑的行为特征进行模拟，人为万方数据硕士学位论文车用压力传感器自动化校准系统的设计作者孙马驰导师林敏教授郭斌副教授学科精密仪器及机械中国计量学院二〇四年六月万方数据，万方数据中图分类号学校代码密级公开硕士学位论文车用压力传感器自动化校准系统的设计作者孙马驰导师林敏教授郭斌副教授申请学位工学硕士培养单位中国计量学院学科专业精密仪器及机械研究方向汽车零部件检测二〇四年六月万方数据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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国计量学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我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了谢意。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中国计量学院有关保留使用学位论文的规定。特授权中国计量学院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，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名导师签名签字日期年月日签字日期年月日万方数据致谢光阴似箭，岁月如梭，不知不觉间我的研究生生涯已接近尾声，路走来，感慨颇多，父母的疼爱关心，老师的悉心教诲，朋友的支持帮助直陪伴着我，让我越过了次次的坎坷，慢慢走向成熟。首先深深的感谢导师林敏教授，感谢在这两年多的时间里，无论学习还是生活上，林老师给予的莫大的关心和指导。林老师渊博的知识，严谨求是的治学态度，勤恳踏实的工作作风都深深地影响着我。在过去的两年里，林老师不辞辛劳地指导我的科研工作，教会我每件事要从点滴做起，激励着我步个脚印的前进蜕变成长。在此，诚挚地向林老师致以我最崇高的敬意。感谢导师组的郭斌老师为论文提供了个较为良好的科研平台并对我进行指导感谢陆艺老师在最初熟悉软件平台中给予我知识上的援助感谢范伟军老师用他扎实的理论学识在课题进展中耐心的指导和指引道路，使我对课题的理解更加的深入。感谢师姐安志敏柴姗姗