0 引言

    傳感器技術是現代科技的前沿技術^[1]，傳感元件作為獲取信息的器件位于傳感器系統(tǒng)的關鍵器件之首，其性能對傳感器系統(tǒng)有著重要影響。傳統(tǒng)阻性傳感器以機械結構型器件為主，主要缺點是質量大、體積大和不能提供電子輸出。隨著半導體技術的不斷發(fā)展，傳感器呈現出向半導體方向發(fā)展的趨勢。

    現階段對阻性傳感器的研究十分活躍，與之相適應的各種調節(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量精度高、頻率響應范圍寬、穩(wěn)定性好、易于小型化等顯著特點得到了迅猛的發(fā)展，被廣泛地應用于航空、航天、航海、動力機械、石油化工、生物醫(yī)學工程、氣象、地震和地質測量等領域。

1 阻性傳感器系統(tǒng)典型架構

    阻性傳感器對溫度變化敏感，易受環(huán)境溫度影響，導致輸出信號發(fā)生零點漂移和靈敏度漂移。隨著國民經濟的高速發(fā)展，諸如航空航天、水利水電、汽車制造、武器裝備等領域對阻性傳感器在大幅溫度變化下的測量精度和穩(wěn)定性提出了越來越高的期望和要求，因此阻性傳感器溫度補償的研究具有十分重要的應用價值和理論意義^[2]。為提高阻性傳感器系統(tǒng)精度，應用時需配備傳感器信號調理電路，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。因為阻性壓力傳感器沒有機械傳動結構，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為蠕變、遲滯而產生的誤差，大大提高了傳感器的精度。硅壓力傳感器無活動部件，抗沖擊性、抗震性、耐腐蝕性以及抗干擾能力強，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。這點在航空領域中的壓力測量顯得尤為重要。

    在對阻性壓力傳感器的研究中，對于輸出信號的溫度漂移補償是一個重要的研究方向。由于此種傳感器在使用過程中需要和被測量物體接觸或處于測量環(huán)境當中，傳感器會受到測量環(huán)境溫度變化的影響，導致輸出信號產生靈敏度漂移和零點漂移。阻性壓力傳感器的溫度漂移是由于半導體的本征物理屬性對溫度敏感所致。半導體擴散電阻值隨著溫度變化不一致而導致零點漂移。擴散電阻的溫度系數由薄層電阻決定，表面雜質濃度越高，薄層電阻越小，溫度系數也更小。與之相反，薄層電阻增加，溫度系數也增大。但是由于制造工藝等原因，難以使四個電橋電阻的溫度系數完全一致，因此，電橋傳感器將不可避免地會產生零點漂移^[3]。

    以半導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，在實際系統(tǒng)應用中對阻性壓力傳感器進行溫度補償有重要的意義。在系統(tǒng)應用時均需要信號調整補償，傳統(tǒng)的信號調理補償系統(tǒng)采用分立器件搭建，如圖1所示。其包含多種復雜器件，占用板級面積大、功耗大、補償精度低以及通用性差，嚴重影響了系統(tǒng)信息的采集和獲取，成為制約整個系統(tǒng)精度的瓶頸。調理電路的開發(fā)以及補償算法的創(chuàng)新成為新的研究熱點。

2 阻性傳感器的補償方法

    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一步提升，使阻性傳感器阻值及溫度系數的變化保持一致，減小溫度漂移；另一方面，后續(xù)電路對零點誤差、滿量程誤差和零點漂移及溫度漂移等參數進行校正，輸出信號也可以進行補償，以提高其測量精確度^[2]。

    綜合目前國內外對阻性傳感器溫度補償的研究現狀，補償方法一般可分為硬件補償和軟件補償兩類。

2.1 硬件補償方法

    硬件補償的實現方式有很多種，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與傳感器自身溫度系數方向相反來實現補償^[5-6]。基于硬件補償方法對傳感器的零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移補償，一般是分開進行的。

    對于阻性傳感器零點漂移的補償，一般采用串并聯電阻的方法，用來平衡因四個電橋電阻初始值不匹配而造成的零點漂移以及零點溫度漂移。因為此種補償方法是在電橋上完成的，所以也被稱為“橋內補償法”^[7]。

    圖2所示的原理圖中，其補償原理是通過串并聯在電橋上的電阻來調節(jié)傳感器的零點漂移。其中，串聯電阻RS主要起到調零作用，并聯電阻R_P主要起到補償作用，且電阻R_S、R_P通常選擇溫度系數極小的材料制作，所以認為其溫度系數為零。這種方法的關鍵在于要準確計算出串并聯電阻R_S、R_P的大小。對于補償電阻的求解，通常采用溫度系數推導方法和恒流源供電法計算^[8]。

    對于用溫度系數推導方法，計算得出的補償電阻值誤差很大，補償效果不佳，甚至可能使原來就已較好的傳感器效果變差。用恒流源計算出來的R_S、R_P的阻值需要隨著溫度不斷的變化而重新設置。并且這種方法只利用補償溫度區(qū)間內的兩個邊界溫度點上的一些傳感器參數來計算R_S、R_P的阻值，它只考慮傳感器的零點溫度漂移隨著溫度單調變化這一因素，并未考慮其他因素對壓阻式傳感器的零點漂移曲線的影響，而這種影響很可能使得曲線非單調變化。但在實際應用中，這類“橋內補償方法”計算繁瑣、調試困難、通用性差，只適宜對傳感器進行初步補償。

2.2 軟件補償方法

    軟件補償方法主要是針對阻性傳感器的輸出信號，一般是對壓力傳感器的輸出數據進行“軟件”處理。軟件補償方法主要有二維插值法、二維回歸分析法和人工神經網絡學習法等^[9]。美國Kulite公司的補償方法是在壓力傳感器內一起封裝一個溫度傳感器，這樣傳感器在輸出壓力信號的同時，還輸出一路溫度信號，利用這兩個信號經過數據處理來實現溫度漂移誤差的補償^[10]。這就是一種典型的采用二維回歸分析法進行的補償。

    同硬件補償方法相比，軟件補償方法比較靈活，不需要進行繁瑣的電路設計。但是軟件補償需要求解大規(guī)模的矩陣方程，方程的維數越多，計算的數據量越大。神經學習法具有較強的學習、適應和調整能力，能夠很好地逼近被測對象的實際值，但是也存在網絡不穩(wěn)定，訓練周期長等缺點^[2]。

3 發(fā)展趨勢

    隨著傳感器技術和計算機技術的飛速發(fā)展，世界進入了數字時代，可編程數字器件的出現使得采用數字方式調理模擬系統(tǒng)成為可能^[11]。傳感器的調理技術因此也有了新的發(fā)展方向。

傳感器信號調理技術發(fā)展的兩個方向：

    (1)數字傳感信號處理器（DSSP）^[12]。DSSP技術包括利用ADC對傳感器信號進行數字化轉換，利用存儲器帶有的微控制器在數字域內進行校準和補償。這種方法的優(yōu)勢在于ADC數字化的處理，這種處理是在數字域由處理器完成，其輸出的信號都是數字信號，具有抗干擾能力強等特點。但是這種方法在把模擬信號轉換為數字信號的過程當中，會引入量化誤差，其取決于ADC的有效位數，并且這種方法還需要一定的軟件開銷。

    (2)模擬傳感信號處理器（ASSP）^[12]。MAX1452溫度信號調理芯片即屬于這種模擬信號處理器，它是通過調整DAC來調整傳感器的激勵電流，利用可編程的放大器來調整輸入信號的偏移和增益。ASSP技術完全實現了在模擬域對傳感器進行校準和補償。它利用DAC、EEPROM和可用數字量進行調節(jié)的模擬器件，這種混合技術具有全模擬和全數字兩種方法的優(yōu)點，它在模擬域內處理信號，用數字系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電位器功能。為了改善傳感器輸出信號的非線性，在ASSP系統(tǒng)中，原始傳感器輸出信號作為DAC的基準輸入，DAC的輸出作為反饋信號的調節(jié)增益和偏置。這種技術省去了DSSP中采用復雜的多項式曲線擬合。利用DAC將數字量與模擬電壓（DAC的基準輸入）相乘，這是ASSP電子調節(jié)系統(tǒng)的關鍵依據。

    為了適應ASSP的補償，一個傳感器系統(tǒng)中往往需要使用多個DAC，而DAC的價格會隨著其分辨率的增加而增加。這個問題隨著新型(Δ-∑)技術的DAC和ADC的發(fā)展而得到了解決，可實現低價格的數字調整。這種技術可以在非常小的硅片面積上實現16位的A/D轉換，使得含有多路DAC和ADC的復雜片上系統(tǒng)成為可能^[13]。

    現代信號調理技術是一種軟件與硬件相結合的調理技術，其利用合理的補償算法與ASSP專用集成信號調理芯片相結合，是一種很有效的針對阻性傳感器溫度補償的新方法。隨著傳感器技術的不斷發(fā)展，傳感器調理技術必將向智能化、微型化、微功耗和多功能化方向發(fā)展。

4 結束語

    傳感器作為獲取信息的關鍵器件被應用于各種物理量的測量，其中阻性傳感器應用最為廣泛，應用領域包括航空、航天、航海、動力機械、石油化工、生物醫(yī)學工程、氣象、地震和地質測量等。傳感器技術的發(fā)展面臨更大的機遇和挑戰(zhàn)，服務于信息科學的傳感器和智能傳感器日益受到科技工作者、政府和產業(yè)界的重視，今后必將發(fā)揮重要作用。

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