0 引言

    傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)^[1]，傳感元件作為獲取信息的器件位于傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之首，其性能對(duì)傳感器系統(tǒng)有著重要影響。傳統(tǒng)阻性傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型器件為主，主要缺點(diǎn)是質(zhì)量大、體積大和不能提供電子輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器呈現(xiàn)出向半導(dǎo)體方向發(fā)展的趨勢(shì)。

    現(xiàn)階段對(duì)阻性傳感器的研究十分活躍，與之相適應(yīng)的各種調(diào)節(jié)電路也日趨成熟。阻性傳感器種類繁多，用途廣泛，如表1所示。表1中的阻性傳感器以測(cè)量精度高、頻率響應(yīng)范圍寬、穩(wěn)定性好、易于小型化等顯著特點(diǎn)得到了迅猛的發(fā)展，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、動(dòng)力機(jī)械、石油化工、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地震和地質(zhì)測(cè)量等領(lǐng)域。

1 阻性傳感器系統(tǒng)典型架構(gòu)

    阻性傳感器對(duì)溫度變化敏感，易受環(huán)境溫度影響，導(dǎo)致輸出信號(hào)發(fā)生零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，諸如航空航天、水利水電、汽車(chē)制造、武器裝備等領(lǐng)域?qū)ψ栊詡鞲衅髟诖蠓鶞囟茸兓碌臏y(cè)量精度和穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的期望和要求，因此阻性傳感器溫度補(bǔ)償的研究具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和理論意義^[2]。為提高阻性傳感器系統(tǒng)精度，應(yīng)用時(shí)需配備傳感器信號(hào)調(diào)理電路，如圖1所示。下面以硅壓傳感器為例介紹阻性傳感器調(diào)理系統(tǒng)。

    與其他同類傳感器相比，阻性壓力傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樽栊詨毫鞲衅鳑](méi)有機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，不但完全消除了摩擦誤差，而且消除了普通傳感器的金屬膜片因?yàn)槿渥儭⑦t滯而產(chǎn)生的誤差，大大提高了傳感器的精度。硅壓力傳感器無(wú)活動(dòng)部件，抗沖擊性、抗震性、耐腐蝕性以及抗干擾能力強(qiáng)，并且由于其采用集成電路加工方式，敏感元件硅膜片能夠做得很小。這點(diǎn)在航空領(lǐng)域中的壓力測(cè)量顯得尤為重要。

    在對(duì)阻性壓力傳感器的研究中，對(duì)于輸出信號(hào)的溫度漂移補(bǔ)償是一個(gè)重要的研究方向。由于此種傳感器在使用過(guò)程中需要和被測(cè)量物體接觸或處于測(cè)量環(huán)境當(dāng)中，傳感器會(huì)受到測(cè)量環(huán)境溫度變化的影響，導(dǎo)致輸出信號(hào)產(chǎn)生靈敏度漂移和零點(diǎn)漂移。阻性壓力傳感器的溫度漂移是由于半導(dǎo)體的本征物理屬性對(duì)溫度敏感所致。半導(dǎo)體擴(kuò)散電阻值隨著溫度變化不一致而導(dǎo)致零點(diǎn)漂移。擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)由薄層電阻決定，表面雜質(zhì)濃度越高，薄層電阻越小，溫度系數(shù)也更小。與之相反，薄層電阻增加，溫度系數(shù)也增大。但是由于制造工藝等原因，難以使四個(gè)電橋電阻的溫度系數(shù)完全一致，因此，電橋傳感器將不可避免地會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移^[3]。

    以半導(dǎo)體材料為敏感元件的阻性壓力傳感器，由于溫度特性不一致，溫度漂移現(xiàn)象明顯，以及特殊的加工工藝，使其輸出非線性誤差也具有隨機(jī)性。溫度漂移特性和非線性誤差，使得阻性式壓力傳感器的使用受到了限制^[4]。因此，在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中對(duì)阻性壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償有重要的意義。在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)均需要信號(hào)調(diào)整補(bǔ)償，傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理補(bǔ)償系統(tǒng)采用分立器件搭建，如圖1所示。其包含多種復(fù)雜器件，占用板級(jí)面積大、功耗大、補(bǔ)償精度低以及通用性差，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)信息的采集和獲取，成為制約整個(gè)系統(tǒng)精度的瓶頸。調(diào)理電路的開(kāi)發(fā)以及補(bǔ)償算法的創(chuàng)新成為新的研究熱點(diǎn)。

2 阻性傳感器的補(bǔ)償方法

    為了提高阻性傳感器的輸出精度，一方面可以在制作工藝上進(jìn)一步提升，使阻性傳感器阻值及溫度系數(shù)的變化保持一致，減小溫度漂移；另一方面，后續(xù)電路對(duì)零點(diǎn)誤差、滿量程誤差和零點(diǎn)漂移及溫度漂移等參數(shù)進(jìn)行校正，輸出信號(hào)也可以進(jìn)行補(bǔ)償，以提高其測(cè)量精確度^[2]。

    綜合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)阻性傳感器溫度補(bǔ)償?shù)难芯楷F(xiàn)狀，補(bǔ)償方法一般可分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩類。

2.1 硬件補(bǔ)償方法

    硬件補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方式有很多種，其基本原理是靠傳感器的橋式電路上加入二極管、三極管和電阻，利用以上元件的溫度系數(shù)與傳感器自身溫度系數(shù)方向相反來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償^[5-6]?；谟布a(bǔ)償方法對(duì)傳感器的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移補(bǔ)償，一般是分開(kāi)進(jìn)行的。

    對(duì)于阻性傳感器零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償，一般采用串并聯(lián)電阻的方法，用來(lái)平衡因四個(gè)電橋電阻初始值不匹配而造成的零點(diǎn)漂移以及零點(diǎn)溫度漂移。因?yàn)榇朔N補(bǔ)償方法是在電橋上完成的，所以也被稱為“橋內(nèi)補(bǔ)償法”^[7]。

    圖2所示的原理圖中，其補(bǔ)償原理是通過(guò)串并聯(lián)在電橋上的電阻來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的零點(diǎn)漂移。其中，串聯(lián)電阻RS主要起到調(diào)零作用，并聯(lián)電阻R_P主要起到補(bǔ)償作用，且電阻R_S、R_P通常選擇溫度系數(shù)極小的材料制作，所以認(rèn)為其溫度系數(shù)為零。這種方法的關(guān)鍵在于要準(zhǔn)確計(jì)算出串并聯(lián)電阻R_S、R_P的大小。對(duì)于補(bǔ)償電阻的求解，通常采用溫度系數(shù)推導(dǎo)方法和恒流源供電法計(jì)算^[8]。

    對(duì)于用溫度系數(shù)推導(dǎo)方法，計(jì)算得出的補(bǔ)償電阻值誤差很大，補(bǔ)償效果不佳，甚至可能使原來(lái)就已較好的傳感器效果變差。用恒流源計(jì)算出來(lái)的R_S、R_P的阻值需要隨著溫度不斷的變化而重新設(shè)置。并且這種方法只利用補(bǔ)償溫度區(qū)間內(nèi)的兩個(gè)邊界溫度點(diǎn)上的一些傳感器參數(shù)來(lái)計(jì)算R_S、R_P的阻值，它只考慮傳感器的零點(diǎn)溫度漂移隨著溫度單調(diào)變化這一因素，并未考慮其他因素對(duì)壓阻式傳感器的零點(diǎn)漂移曲線的影響，而這種影響很可能使得曲線非單調(diào)變化。但在實(shí)際應(yīng)用中，這類“橋內(nèi)補(bǔ)償方法”計(jì)算繁瑣、調(diào)試?yán)щy、通用性差，只適宜對(duì)傳感器進(jìn)行初步補(bǔ)償。

2.2 軟件補(bǔ)償方法

    軟件補(bǔ)償方法主要是針對(duì)阻性傳感器的輸出信號(hào)，一般是對(duì)壓力傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行“軟件”處理。軟件補(bǔ)償方法主要有二維插值法、二維回歸分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)法等^[9]。美國(guó)Kulite公司的補(bǔ)償方法是在壓力傳感器內(nèi)一起封裝一個(gè)溫度傳感器，這樣傳感器在輸出壓力信號(hào)的同時(shí)，還輸出一路溫度信號(hào)，利用這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度漂移誤差的補(bǔ)償^[10]。這就是一種典型的采用二維回歸分析法進(jìn)行的補(bǔ)償。

    同硬件補(bǔ)償方法相比，軟件補(bǔ)償方法比較靈活，不需要進(jìn)行繁瑣的電路設(shè)計(jì)。但是軟件補(bǔ)償需要求解大規(guī)模的矩陣方程，方程的維數(shù)越多，計(jì)算的數(shù)據(jù)量越大。神經(jīng)學(xué)習(xí)法具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、適應(yīng)和調(diào)整能力，能夠很好地逼近被測(cè)對(duì)象的實(shí)際值，但是也存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，訓(xùn)練周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)^[2]。

3 發(fā)展趨勢(shì)

    隨著傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代，可編程數(shù)字器件的出現(xiàn)使得采用數(shù)字方式調(diào)理模擬系統(tǒng)成為可能^[11]。傳感器的調(diào)理技術(shù)因此也有了新的發(fā)展方向。

傳感器信號(hào)調(diào)理技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)方向：

    (1)數(shù)字傳感信號(hào)處理器（DSSP）^[12]。DSSP技術(shù)包括利用ADC對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，利用存儲(chǔ)器帶有的微控制器在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于ADC數(shù)字化的處理，這種處理是在數(shù)字域由處理器完成，其輸出的信號(hào)都是數(shù)字信號(hào)，具有抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是這種方法在把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程當(dāng)中，會(huì)引入量化誤差，其取決于ADC的有效位數(shù)，并且這種方法還需要一定的軟件開(kāi)銷(xiāo)。

    (2)模擬傳感信號(hào)處理器（ASSP）^[12]。MAX1452溫度信號(hào)調(diào)理芯片即屬于這種模擬信號(hào)處理器，它是通過(guò)調(diào)整DAC來(lái)調(diào)整傳感器的激勵(lì)電流，利用可編程的放大器來(lái)調(diào)整輸入信號(hào)的偏移和增益。ASSP技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)了在模擬域?qū)鞲衅鬟M(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償。它利用DAC、EEPROM和可用數(shù)字量進(jìn)行調(diào)節(jié)的模擬器件，這種混合技術(shù)具有全模擬和全數(shù)字兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，它在模擬域內(nèi)處理信號(hào)，用數(shù)字系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電位器功能。為了改善傳感器輸出信號(hào)的非線性，在ASSP系統(tǒng)中，原始傳感器輸出信號(hào)作為DAC的基準(zhǔn)輸入，DAC的輸出作為反饋信號(hào)的調(diào)節(jié)增益和偏置。這種技術(shù)省去了DSSP中采用復(fù)雜的多項(xiàng)式曲線擬合。利用DAC將數(shù)字量與模擬電壓（DAC的基準(zhǔn)輸入）相乘，這是ASSP電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵依據(jù)。

    為了適應(yīng)ASSP的補(bǔ)償，一個(gè)傳感器系統(tǒng)中往往需要使用多個(gè)DAC，而DAC的價(jià)格會(huì)隨著其分辨率的增加而增加。這個(gè)問(wèn)題隨著新型(Δ-∑)技術(shù)的DAC和ADC的發(fā)展而得到了解決，可實(shí)現(xiàn)低價(jià)格的數(shù)字調(diào)整。這種技術(shù)可以在非常小的硅片面積上實(shí)現(xiàn)16位的A/D轉(zhuǎn)換，使得含有多路DAC和ADC的復(fù)雜片上系統(tǒng)成為可能^[13]。

    現(xiàn)代信號(hào)調(diào)理技術(shù)是一種軟件與硬件相結(jié)合的調(diào)理技術(shù)，其利用合理的補(bǔ)償算法與ASSP專用集成信號(hào)調(diào)理芯片相結(jié)合，是一種很有效的針對(duì)阻性傳感器溫度補(bǔ)償?shù)男路椒?。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器調(diào)理技術(shù)必將向智能化、微型化、微功耗和多功能化方向發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

    傳感器作為獲取信息的關(guān)鍵器件被應(yīng)用于各種物理量的測(cè)量，其中阻性傳感器應(yīng)用最為廣泛，應(yīng)用領(lǐng)域包括航空、航天、航海、動(dòng)力機(jī)械、石油化工、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地震和地質(zhì)測(cè)量等。傳感器技術(shù)的發(fā)展面臨更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，服務(wù)于信息科學(xué)的傳感器和智能傳感器日益受到科技工作者、政府和產(chǎn)業(yè)界的重視，今后必將發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張開(kāi)遜.現(xiàn)代傳感技術(shù)在信息科學(xué)中的地位[J].信息化技術(shù)與控制，2006，16(1)：19-22.

[2] 劉鵬.壓阻式壓力傳感器溫度補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)的研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[3] 羅秦川.多晶硅壓力傳感器熱靈敏度漂移補(bǔ)償技術(shù)[J].傳感器技術(shù)，2003，22（5）：33-36.

[4] 賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)[M].南京：南京大學(xué)出版社，1992：67-86.

[5] 張慶鑫，劉理天，李志堅(jiān).壓力傳感器溫度漂移補(bǔ)償?shù)囊环N新方法[J].傳感器技術(shù)，1996，15（6）：45-48.

[6] 文豐，牛芳，張文棟，等.MEMS壓力傳感器的溫度漂移分析及補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26（2）：862-865.

[7] 張文.阻性傳感器的溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)及虛擬儀器的組建[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004.

[8] 劉新月.壓力傳感器溫度漂移補(bǔ)償?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2006.

[9] 樊尚春.基于樣條曲線插值的壓力傳感器的溫度補(bǔ)償[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（6）.

[10] 李占鋒.壓力傳感器非線性補(bǔ)償與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003(7)：126-127.

[11] 夏勇.壓阻式壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)难芯颗c實(shí)現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[12] 賈英江，賈向英.一種新型傳感器接口IC[J].自動(dòng)化儀表，2002(6)：23-25.

[13] 王丕濤.高精度智能信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)的研制[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.