0 引言

硅壓阻式壓力傳感器利用半導體材料的壓阻效應來進行壓力測量，以其體積小、靈敏度高、工藝成熟等優點，在各行業中得到了廣泛應用。實際工程應用中由于硅材料受溫度的影響，導致零點漂移和靈敏度漂移，因此溫度補償問題是提高傳感器性能的一個關鍵環節。目前壓力傳感器主要有兩種溫度補償方法：硬件補償和軟件補償。硬件補償方法存在調試困難、精度低、成本高、通用性差等缺點，不利于工程實際應用;利用數字信號處理技術的軟件補償能夠克服以上缺點，也逐漸成為研究熱點。

目前軟件補償的方法主要有：查表法、二元插值法、BP神經網絡法、小波神經網絡方法、曲線曲面擬合方法等。查表法需要占用很大內存空間，而神經網絡方法存在網絡不穩定、訓練時間較長的缺點不利于工程應用。在研究各類軟件補償方法的基礎上對壓力傳感器采用建立高階溫度補償模型進行溫度誤差補償，并且在Matlab GUI軟件平臺下實現高階溫度補償系數的計算，通過實驗對該方法進行驗證。

1 高階溫度補償模型的建立

1.1 高階溫度補償建模

壓力傳感器輸出非線性誤差主要是由零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移產生，零點溫度漂移是由于電阻摻雜不同而導致電阻的溫度系數不同，靈敏度溫度漂移主要由于壓阻系數易隨溫度的升高而減少。針對溫度對傳感器輸出影響，采用對零點溫度漂移和靈敏度漂移建立高階補償模型進行統一補償，補償后壓力值 Press(T )表示為溫度傳感器電壓輸出VT 和壓力傳感器電壓輸出VP 的函數：

將 Press(T ) 補償轉換成曲面擬合問題，采用高階多項式擬合方法構造曲面方程：

式中系數矩陣中元素CI,J 是式(2)中VP VT 項對應系數。

對壓力傳感器進行全溫段實驗，得出壓力傳感器靜態輸出特性，應用上述模型計算擬合系數。

1.2 高階溫度補償過程

在實際工程應用中，傳感器輸出電路可采用以DSP為核心運算電路進行動態溫度補償的方法來實現實時數字溫度補償，具體電路如圖1 所示：整個電路由A/D轉換電路、DSP 運算電路、串并轉換電路、并串轉換電路、E2RPOM等5部分組成。

對壓力傳感器進行全溫段實驗，計算出擬合系數存放在數字補償電路的E2PROM 中。壓力傳感器輸出電壓值VP 和溫度傳感器輸出電壓值VT 通過A/D轉換輸出串行信號經過串并轉換電路送到DSP運算電路中，DSP運算電路根據式(2)進行計算。最后補償后結果通過并，串轉換電路輸出，從而實現壓力傳感器實時數字溫度補償。

1.3 高階溫度補償系數計算過程

由于不同壓力傳感器動態特性不同，采用高階補償模型計算出擬合系數也有差異。為了保證動態溫度補償在硬件上方便實現，減少硬件運算量，必須先求出擬合系數并進行適當調整，使擬合系數以統一格式存放。

以擬合系數范圍在小數點前6 位小數后3 位為例，即{-999 999.999,999 999.999}范圍，步驟如下：

(1)構造高階多項式，根據靜態實驗數據用高階溫度補償模型進行擬合，計算出擬合系數矩陣C.

(2)判斷擬合系數矩陣C 系數是否在范圍內：如果所有系數值在范圍內，擬合過程結束;當系數值不在范圍內，記錄擬合系數下標值。取絕對值最大的一項CI,J (max) ,CI,J (max) 取絕對值與999 999.999相除取整得到調整系數N.

(3)重新構造高階多項式，針對步驟(1)中計算出系數值不在范圍內對應位置項的系數置0得缺項多項式，重新根據靜態實驗數據進行擬合，求系數矩陣C1.根據N 對系數矩陣進行調整，調整后系數矩陣C =[C + C1N]/(N + 1)。

(4)對調整后系數矩陣C 重復步驟(2)進行判斷，直至所有系數矩陣中系數值都在范圍內，則調整結束，保存系數矩陣。

擬合系數通過上述方法可以以統一的數據格式進行存放，方便在DSP 硬件平臺上實現動態數字溫度補償，在一定程度上可以減少硬件運算量。系數調整過程還需要根據具體情況設定系數范圍，在能夠保證傳感器輸出線性性的情況下，系數范圍越小在硬件上越容易實現。

2 軟件設計與實現

由上述分析可知，數字補償電路對傳感器進行動態溫度補償時，必須先求出高階溫度補償擬合系數。采用Matlab 2012a作為軟件平臺，利用Matlab圖形用戶界面(GUI)編程實現壓力傳感器高階溫度補償系數計算。

GUI 是Matlab 為用戶提供的Windows 圖形界面設計方法，使用戶能夠在利用其強大數值計算功能的同時設計出友好的圖形界面。

整個程序框圖如圖2 所示：包括數據讀取模塊、標準擬合模塊、系數調整模塊和數據存儲模塊。數據讀取模塊功能是讀取傳感器全溫段實驗數據進行預處理，標準擬合模塊根據高階溫度補償模型和靜態實驗數據計算系數矩陣，系數調整模塊是對高階溫度模型系數進行系數調整，數據存儲模塊把系數值以一定格式保存方便寫入數字補償電路的E2PROM.