專利名稱：高精度壓力傳感器信號補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信號處理領(lǐng)域，涉及一種傳感器的信號補償方法，尤其是一種對于硅 壓力傳感器的非線性誤差、遲滯誤差和溫度變化引起的誤差的補償方法。
背景技術(shù)：
硅壓力傳感器是微機械工藝最成功的傳感器產(chǎn)品，主要有硅壓阻式、電容式和諧 振式三種，其中硅壓阻式應(yīng)用最廣泛。硅壓阻式壓力傳感器利用半導(dǎo)體材料硅的壓阻效應(yīng)、 惠斯頓電橋原理、集成電路工藝和微機械加工技術(shù)制成。硅壓阻式壓力傳感器因其微型化、 高靈敏度、響應(yīng)快、可集成化和高穩(wěn)定性等優(yōu)點，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用作微型真空計、絕對壓 力計、流速計、流量計、聲傳感器、氣動過程控制器等，其應(yīng)用遍及石油、化工、生物、醫(yī)療、航 天、海洋工程、原子能等尖端科技和工業(yè)領(lǐng)域。衡量傳感器性能的靜態(tài)指標主要有非線性誤差、遲滯誤差和重復(fù)性誤差。為了提 高傳感器的測量精度，需要對這些誤差進行補償。目前，非線性誤差的補償方法已經(jīng)非常成 熟，常用的非線性誤差的補償方法有查表法、曲線擬合法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。重復(fù)性誤差屬于隨 機誤差，需要通過統(tǒng)計方法進行分析，目前還不能對其進行補償。遲滯是一種多值對應(yīng)、非 常規(guī)、非平滑的特殊現(xiàn)象，它是由傳感器內(nèi)部元件存在的能量吸收和傳遞延遲造成的。遲滯 與傳感器受到的外界載荷的加載過程相關(guān)。因為遲滯誤差的規(guī)律十分復(fù)雜，所以目前還沒 有關(guān)于硅壓力傳感器的遲滯誤差補償應(yīng)用的報道。遲滯誤差占基本誤差的比重通常在30 % 左右，是影響硅壓力傳感器測量精度的重要因素。硅壓阻式壓力傳感器的缺點是對溫度變化十分敏感，其零點輸出和靈敏度都會隨 著溫度變化而產(chǎn)生微小的變化，這種現(xiàn)象稱為溫度漂移。為了降低溫度變化對傳感器測量 精度的影響，需要對溫度變化引起的誤差進行補償。目前工業(yè)中常用的溫度補償方法有硬 件補償方法和軟件補償方法(計算機補償、微處理器補償)。硬件補償方法有二極管、三極 管、熱敏電阻等補償電路方法。軟件補償方法是利用計算機或微處理器采集壓力信號、溫度 信號，采用數(shù)字信號處理技術(shù)對溫度漂移產(chǎn)生的誤差進行補償，得到高精度的壓力信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有的硅壓力傳感器測量中遲滯誤差無法 補償?shù)牟蛔愫吞岣吖鑹毫鞲衅鞯臏y量精度，提供一種可以補償遲滯誤差，同時補償硅壓 力傳感器的非線性誤差和溫度變化產(chǎn)生的誤差的高精度信號處理方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種高精度壓力傳感器信號補償方法，所述方法應(yīng)用在 作者研制的智能壓力傳感器系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括硅壓力傳感器、信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路(A/D)、DSP數(shù)據(jù)采集補償電路、接口電路和工業(yè)控制計算機；所述硅壓力傳感器上分別 連接有信號放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)，信號放大電路同時又與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D) 連接；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)上連接有DSP數(shù)據(jù)采集補償電路；所述DSP數(shù)據(jù)采集補償 電路通過接口電路與工業(yè)控制計算機；所述的接口電路包括CAN現(xiàn)場總線和USB接口；所述系統(tǒng)的工作流程傳感器環(huán)境的溫度信號，與經(jīng)過信號放大的電壓信號一起經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路(A/D)，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過數(shù)字信號處理器(DSP)進行數(shù)字信號處 理，得到遲滯誤差補償、溫度補償和非線性誤差補償?shù)母呔鹊膲毫π盘柡蜏囟刃盘?。?后，通過CAN現(xiàn)場總線或USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)控制計算機。高精度壓力傳感器信號補償方法，按照如下步驟(1)硅壓力傳感器測量得到壓力測量信號Vp和溫度測量信號Vt ；壓力測量信號 Vp依次經(jīng)信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后進入DSP數(shù)據(jù)采集補償電路；溫度測量信號Vt經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換電路后進入DSP數(shù)據(jù)采集補償電路；(2)在DSP數(shù)據(jù)采集補償電路中，采用遲滯誤差補償方法將壓力測量信號Vp轉(zhuǎn)化 為消除遲滯誤差的壓力值P’ ；(3)在DSP數(shù)據(jù)采集補償電路中，采用信號接口處理方法對壓力值P’進行溫度校 正，得到經(jīng)過溫度校正后的壓力信號Vpm ；(4)在DSP數(shù)據(jù)采集補償電路中，采用溫度補償方法，由經(jīng)過溫度校正的壓力信號 Vpm和溫度信號Vt得到經(jīng)過溫度補償和非線性誤差補償?shù)膲毫π盘朠和溫度信號T。所述遲滯誤差補償方法是指首先，用壓力測量信號Vp的極值序列Vpl、Vp2、…、Vpn表示壓力；其次，判斷壓 力處在加載過程(即壓力載荷遞增過程)還是卸載過程(即壓力載荷遞減過程)；然后分 別利用遲滯逆模型仏外列或bzxfRx^州對壓力測量信號Vp的極值序列Vpl、 Vp2、…、Vpn進行處理，得到經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)膲毫π盘朠’的序列(P' pP' 2，...， P' )；當(dāng)壓力在加載過程中，用于遲滯誤差補償?shù)倪t滯逆模型a= x；1 [x(a, b\ b]為
45
^ e 50其中，a 為經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)漠?dāng)前的壓力值P' n，當(dāng)前壓力處于加載過程；Y為輸入向量，由當(dāng)前的極值壓力增量所對應(yīng)的電壓AVn和前一個極值壓力Pn_i 組成，即 Y = ( A \，PJ，其中 A Vn = VPn-VPn-i ；I為支持向量，即由訓(xùn)練樣本構(gòu)成的向量，即義=(Xi (a^b,),^), (i = 1,2,..., 45) ； a i為經(jīng)過訓(xùn)練得到的支持向量機的權(quán)值系數(shù)(i = 1，2，. . .，45)；當(dāng)壓力在卸載過程中用于遲滯誤差補償?shù)倪t滯逆模型bix^hxp,州為 其中，比為經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)漠?dāng)前的壓力值P' n，當(dāng)前壓力處于卸載過程；Y為輸入向量，由當(dāng)前的極值壓力增量所對應(yīng)的電壓A Vn和前一個極值壓力Pn_i 組成，即 Y = ( A \，PJ，其中 A Vn = VPn-VPn-i ；Yi為支持向量，即由訓(xùn)練樣本構(gòu)成的向量，即I = (Xi(ai，bi)， ),(i = 1,2,..., 45)；a i為經(jīng)過訓(xùn)練得到的支持向量機的權(quán)值系數(shù)(i = 1，2，. . .，45)。
_5] an=T
所述信號處理接口方法是指利用壓力信號Vpm關(guān)于壓力P和溫度T的函數(shù)模型 Vpm = f (P’，Vt)，由未經(jīng)溫度補償?shù)膲毫π盘朠’和溫度測量信號Vt處理得到經(jīng)過溫度校 正的壓力信號Vpm ；函數(shù)模型Vpm = f (P’，Vt)如下式所示Vpm = -5. 4969Xl(T6+0. 7526 XP+0. 8192 .Vt+4. 8869 X10_4 .P2_0. 02361 .P .Vt_0. 0 3881 Vt2。所述溫度補償方法是指利用壓力P關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型 P = g (Vpm, Vt)和溫度T關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型T = q (Vpm, Vt)，將壓 力信號Vpm和溫度測量信號Vt處理為經(jīng)過溫度補償和非線性誤差補償?shù)母呔鹊膲毫π?號P和溫度信號T ；壓力P關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型P = g(Vpm, Vt)P = -117. 758+1. 335XVpm+45. 134XVt_0. 00129 XVpm2+0. 0477 X Vpm *Vt-4. 5113
xvt2溫度T關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型T = q (Vpm, Vt)T = 2693. 282-1. 3888 XVpm-1182. 152XVt+0. 00103 XVpm2+0. 2441 X Vpm 'Vt+130 .1434XVt2。本發(fā)明的有益效果是有效的補償了硅壓力傳感器的遲滯誤差，同時補償了硅壓 力傳感器的非線性誤差和溫度變化產(chǎn)生的誤差，提高了硅壓力傳感器的測量精度；這是一 種全新的硅壓力傳感器誤差補償?shù)臄?shù)字信號處理方法；經(jīng)過本發(fā)明方法補償?shù)目偩葹?0.2% 3(量程)的壓力傳感器的誤差可以減小一半。


圖1是硅壓力傳感器的惠斯頓電橋示意圖；圖2是實施例中使用的智能壓力傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的高精度壓力傳感器信號補償方法的結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明使用的遲滯模型x(a，b)的實驗數(shù)據(jù)繪制圖；圖5是本發(fā)明使用的支持向量機的結(jié)構(gòu)；圖6是硅壓力傳感器關(guān)于壓力P和溫度T的實驗數(shù)據(jù)繪制圖；圖7是實施例1遲滯誤差補償實驗中溫度為30°C時的輸入壓力圖；圖8是實施例1實驗結(jié)果經(jīng)過遲滯補償和未補償?shù)恼`差值比較圖；圖9是實施例2遲滯誤差補償和溫度補償實驗中的溫度為65°C時的輸入壓力圖；圖10是實施例2實驗結(jié)果經(jīng)過本發(fā)明補償和僅非線性誤差補償?shù)恼`差值比較 圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述在圖1中，硅壓力傳感器的四個力敏電阻構(gòu)成惠斯頓電橋。為了提高傳感器的測 量精度，硅壓力傳感器采用恒流源供電。由于采用恒流源供電，電橋A、C兩端的恒流源電壓 的變化則反映傳感器所在環(huán)境溫度的變化，而電橋B、D兩端的輸出電壓反映了輸入壓力， 這種用一個壓力傳感器可以同時測壓力、溫度的系統(tǒng)通常被稱為“一橋二測”系統(tǒng)。本實施例中使用“一橋二測”系統(tǒng)，這樣可以減少使用溫度傳感器，方便現(xiàn)場測試，節(jié)約實驗成本。 當(dāng)然，對于本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方法，也可以不采用“一橋二測”方案，溫度模 擬信號也可以從設(shè)置在與硅壓力傳感器同一環(huán)境中的溫度傳感器中獲得。圖2是實施例中使用的作者研制的智能壓力傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。智能壓力傳感器 系統(tǒng)由硅壓阻式壓力傳感器、信號放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字采集處理電路和工業(yè)控制 計算機組成。硅壓力傳感器的恒流源電壓作為溫度信號，與經(jīng)過信號放大的電壓信號一起 經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(A/D)，由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過數(shù)字信號處理器(DSP)進行 數(shù)字信號處理，得到遲滯誤差補償、溫度補償和非線性誤差補償?shù)母呔鹊膲毫π盘柡蜏?度信號。最后，通過CAN現(xiàn)場總線或USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)控制計算機。其中，DSP作 為整個系統(tǒng)的核心，負責(zé)各個芯片運行、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理和通訊的功能。系統(tǒng)的工作流程為上電后，首先，系統(tǒng)的程序初始化；其次，DSP查詢由工控機發(fā) 出通過USB或CAN接口的采集命令；若接到采集命令，則開啟一個CPU定時器，在定時器中 斷中采集壓力信號和溫度信號，然后進行數(shù)字濾波，軟件補償；最后，將補償后的壓力、溫度 數(shù)據(jù)通過USB或CAN接口上傳到工控機；數(shù)據(jù)上傳后，DSP查詢采集結(jié)束命令，若沒有接到 采集結(jié)束命令，系統(tǒng)繼續(xù)采集、處理信號；若接到采集結(jié)束命令，系統(tǒng)結(jié)束任務(wù)。圖3是高精度壓力傳感器信號補償方法的結(jié)構(gòu)，包括遲滯誤差補償方法，信號處 理接口方法和溫度補償方法。遲滯誤差補償方法的目的是消除壓力P加載、卸載的過程中壓力測量信號Vp產(chǎn)生 的遲滯誤差。遲滯誤差補償方法包含二部分第一部分是記錄壓力加載過程中的壓力測量 信號Vp的極值序列，這是因為遲滯與加載過程相關(guān)，壓力測量信號Vp的極值序列記錄了壓 力加載過程。第二部分是首先判斷壓力處在加載還是卸載過程，然后分別利用遲滯逆模型 fx:^化外糾或bzxfRx權(quán)州對壓力測量信號Vp的極值序列進行處理，得到經(jīng)過遲滯 誤差補償?shù)膲毫π盘朠’。圖4是遲滯模型x(a，b)的實驗數(shù)據(jù)的繪制圖。建立正確的、高精度的遲滯模型 和逆模型是遲滯誤差補償程序的關(guān)鍵。硅壓力傳感器的遲滯模型是建立在關(guān)于遲滯誤差的 壓力P-壓力測量信號Vp標定實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。具體的實驗過程如下在室溫30°C，濕度 56%RH條件下，參照JB/T 10524-2005機械行業(yè)標準進行實驗，實驗儀器主要有壓力傳感 器標定工作臺、恒流源、溫控箱和高精度數(shù)字萬用表。實施例中用的硅壓力傳感器的量程為 40Mpa，綜合考慮訓(xùn)練樣本對擬合精度的影響以及測試試驗的復(fù)雜性，將0 40Mpa分成8 等分進行測試，載荷從OMpa加載到5Mpa，記下輸出電壓，然后減載到OMpa，記下輸出電壓， 算出x (5，0)。再加載到lOMpa，記下輸出電壓，減載到5Mpa，記下輸出電壓，再減載到OMpa， 記下輸出電壓，分別算得x (10，5)和x (10,0)，依此類推，直到40Mpa，得到極值間輸出電壓 x(a,b)實驗數(shù)據(jù)。遲滯模型x(a，b)的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到分別關(guān)于a，b的遲 滯逆模型a= x；1 [x(a, b),糾和b= x,1 [a, x(a,勿]的建模數(shù)據(jù)。通過對遲滯模型x(a，b)的實驗數(shù)據(jù)和遲滯逆模型的建模數(shù)據(jù)進行回歸分析， 可以得到硅壓力傳感器的遲滯模型和用于遲滯誤差補償?shù)哪婺Ｐ汀３Ｓ玫幕貧w分析方法 有二次曲面回歸分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。為了提高回歸分析建立的模型精度，兼顧建 模效率，本發(fā)明采用支持向量機的方法對建模數(shù)據(jù)進行回歸分析。支持向量機(Support VectorMachine，簡稱SVM)是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的機器學(xué)習(xí)算法。它是建立在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小原理基礎(chǔ)上，根據(jù)有限的樣本信息在模型的復(fù)雜性和學(xué)習(xí)能力之間 尋求最佳折衷，以期獲得最好的推廣能力的機器學(xué)習(xí)算法，能夠保證所得到解是全局最有 解。支持向量機在解決小樣本、非線性問題中表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢。圖5是本發(fā)明使用的支持向量機的結(jié)構(gòu)，支持向量機的數(shù)學(xué)模型對訓(xùn)練樣本進行 數(shù)據(jù)擬合時，用下式表示。 其中，Y為被測試的輸入向量；n為支持向量的數(shù)量，即樣本數(shù)量；t為支持向量，即由訓(xùn)練樣本構(gòu)成的向量。(i = l，2，...，n)；x⑴為與Y對應(yīng)的輸出量；a ,為與權(quán)值系數(shù)相對應(yīng)的拉格朗日乘子。(i = 1，2，. . .，n)；3為閾值；K(Xi，x)為支持向量機的核函數(shù)。支持向量機有多種形式的核函數(shù)，例如線性核函數(shù)、多項式核函數(shù)和徑向基核函 數(shù)等核函數(shù)。本發(fā)明的支持向量機回歸模型使用徑向基核函數(shù)，因為徑向基核函數(shù)是產(chǎn)生 的偏差較小。徑向基核函數(shù)如下式所示其中，| IY-YJ表示輸入向量與支持向量取差后求模；p為核函數(shù)參數(shù)，調(diào)整p可改善支持向量機的測量精度。學(xué)習(xí)參數(shù)核函數(shù)參數(shù)p、不敏感損失函數(shù)￡和懲罰因子C的選擇對于支持向量 機的訓(xùn)練效率和數(shù)據(jù)擬合精度有很大的影響。實際應(yīng)用中，參數(shù)的確定方法主要有經(jīng)驗確 定和網(wǎng)格搜索。作者通過對樣本進行多次訓(xùn)練和比較，最終選擇參數(shù)為核函數(shù)參數(shù)p = 5;不敏感損失函數(shù)參數(shù)￡ = 0. 0001 ；懲罰因子C= 1000;將建模數(shù)據(jù)構(gòu)成的學(xué)習(xí)樣本作為支持向量，一次全部輸入構(gòu)成支持向量機，然后 將訓(xùn)練樣本中的每一個輸入向量依次輸入支持向量機進行訓(xùn)練；基于訓(xùn)練樣本及結(jié)構(gòu)風(fēng)險 最小原則，求解出SVM結(jié)構(gòu)參數(shù)，使輸出向量與訓(xùn)練樣本中的期望輸出向量的偏差最小，此 時，支持向量機的訓(xùn)練結(jié)束。最后得到滿足誤差要求的基于訓(xùn)練樣本的支持向量機的結(jié)構(gòu) 參數(shù)權(quán)值系數(shù)c^，a2，...，％和閾值3。采用上述結(jié)構(gòu)和參數(shù)的支持向量機建立用于遲滯誤差補償?shù)哪Ｐ腿缦庐?dāng)壓力在加載過程中，用于遲滯誤差補償?shù)倪t滯逆模型a= x；1 [x(a, b), b]為 其中，a 為經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)漠?dāng)前的壓力值P' n，當(dāng)前壓力處于加載過程；Y為輸入向量，由當(dāng)前的極值壓力增量所對應(yīng)的電壓AVn和前一個極值壓力Pn_i 組成，即 Y = ( A Vn, PJ，其中 A Vn = VPn-VPn-i ；
I為支持向量，即由訓(xùn)練樣本構(gòu)成的向量，即義=(Xi (a^b,),^), (i = 1,2,..., 45)；a i為經(jīng)過訓(xùn)練得到的支持向量機的權(quán)值系數(shù)(i = 1,2,...，45)，權(quán)值系數(shù)(a ”
8.5403
-193.8146
64. 3222 48.3573-124. 0973 -106. 7623 -84. 5529 -67.1388 -63.9511 -65.9918 -55. 2276 -21.8993 72.0294 50. 453152. 5182 43.0396
Ct 2 ？ . . . ？ Ct 45)=
(-2.6512-16.9909-3.809062. 454228.7184-121. 7887-70, 8702-26.0235 -12.2707
182.5700122.717364. 420544.4448 33 8128 --147. 9245-90, 5564-68.5294 -60.2854
-27.1669189.9419 146,.2461 112.2237 83. 783986. 4418


40. 8106 44. 0773 48. 0054 27. 7502 38. 5530) 閾值3=0
當(dāng)壓力在卸載過程中用于遲滯誤差補償?shù)倪t滯逆模型bix^Rx^州為
W「e 50其中，比為經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)漠?dāng)前的壓力值P' n，當(dāng)前壓力處于卸載過程；Y為輸入向量，由當(dāng)前的極值壓力增量所對應(yīng)的電壓A Vn和前一個極值壓力Pn_i 組成，即 Y = ( A \，PJ，其中 A Vn = VPn-VPn-i ；I為支持向量，即由訓(xùn)練樣本構(gòu)成的向量，即義=(Xi (a^b,),^), (i = 1,2,..., 45)；a i為經(jīng)過訓(xùn)練得到的支持向量機的權(quán)值系數(shù)(i = 1，2，. . .，45)，權(quán)值系數(shù)(a :，
Ct 2 ？ . . . ？ Ct 貼)(-2.7459 -11.0461 12.1109 -6.2765 11.6702 -2.7377 -18.6998 35. 3271-37. 7082 22. 8823-5.8964 15.5362 -11.6501 7.9822 8.0876 -28.7951 59. 5846-82.8821 81. 8036 -53. 089421.1136 -30.2184 88.5497 -124.8046 143.7415 -94.2631 36.5565 13.2669-74. 1277 216.7344-415. 9337 528. 2465 -564. 6080 425. 8700 -171. 0906 43. 4731 -18. 934981. 7430 -173. 8384 239. 6889-208.0146 157.9626 -57. 5958 8.9726 37. 1454)閾值β =0信號處理接口方法的目的是聯(lián)接遲滯誤差補償方法和溫度補償方法，同時對經(jīng)過 遲滯誤差補償、但未經(jīng)過溫度補償?shù)膲毫π盘栠M行溫度校正。信號處理接口方法中的壓力 信號Vpm關(guān)于壓力P和溫度T的函數(shù)模型Vpm = f (P’，Vt)是建立在硅壓力傳感器關(guān)于壓 力P和溫度T的壓力測量信號Vp-溫度信號Vt標定實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過回歸分析方法得到的。圖6是硅壓力傳感器關(guān)于壓力P和溫度T的實驗數(shù)據(jù)繪制圖。實驗的具體過程 如下實驗儀器主要有壓力傳感器標定工作臺、恒流源、溫控箱和高精度數(shù)字萬用表，參 照JB/T 10524-2005機械行業(yè)標準進行實驗。實施例中用的硅壓阻式壓力傳感器的量程為 40Mpa,將硅壓阻式壓力傳感器裝入溫控箱中，在溫度分別為20V、30V、40°C、50V、60°C、 65°C的條件下進行壓力傳感器的壓力-BD端電壓-AC端電壓的測量、記錄。壓力量程為0 40Mpa,在 0Mpa、5Mpa、10Mpa、15Mpa、20Mpa、25Mpa、30Mpa、35Mpa、40Mpa 這九點處記錄電壓 輸出值。壓力傳感器的加載過程為從OMpa逐漸加載到滿量程40Mpa，然后再從滿量程逐漸 遞減到OMpa。最后，得到實驗數(shù)據(jù)壓力P_溫度T-壓力測量信號Vp-溫度信號Vt。因為 遲滯的存在，所以在相同溫度、相同壓力時正、反行程的壓力測量信號Vp不同。因此，將在 相同溫度、相同壓力時正、反行程的的壓力信號Vp取平均值，得到壓力信號Vpm，壓力信號 Vpm與壓力P是一種一一映射關(guān)系。從硅壓力傳感器關(guān)于壓力P和溫度T的實驗數(shù)據(jù)中得到建模數(shù)據(jù)壓力信號 Vpm-壓力信號P-溫度信號Vt，通過對這些數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到壓力信號Vpm關(guān)于壓力 信號P和溫度信號Vt的函數(shù)模型Vpm = f (P’，Vt)。本發(fā)明中使用二次曲面回歸分析建立 壓力信號Vpm關(guān)于壓力信號P和溫度信號Vt的函數(shù)模型Vpm = f (P’，Vt)，函數(shù)模型如下 式所示Vpm = -5. 4969X10_6+0. 7526 XP+0. 8192 *Vt+4. 8869 X10_4 'P2-0. 02361 *P 'Vt-0. 0 3881 Vt2利用壓力信號Vpm關(guān)于壓力信號P和溫度信號Vt的函數(shù)模型，由未經(jīng)溫度補償?shù)?壓力值P’和溫度信號Vt處理得到經(jīng)過溫度校正的壓力信號Vpm。所述的溫度補償方法是在硅壓力傳感器關(guān)于壓力P和溫度T的壓力測量信號 Vp-溫度信號Vt標定實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過二次曲面回歸分析方法建立壓力P關(guān)于壓力信 號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型P = g (Vpm, Vt)和溫度T關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt 的函數(shù)模型T = q(Vpm, Vt)；利用壓力P函數(shù)模型P = g(Vpm, Vt)和溫度T函數(shù)模型T = q(Vpm，Vt)，將壓力信號Vpm和溫度信號Vt處理為經(jīng)過溫度補償和非線性誤差補償?shù)膲毫?信號P和溫度信號T。溫度補償方法需要使用壓力P函數(shù)模型P = g(Vpm, Vt)和溫度T函數(shù)模型T = q(Vpm, Vt)。這些函數(shù)模型都是建立在硅壓力傳感器關(guān)于壓力P和溫度T的壓力測量信號 Vp-溫度信號Vt標定實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，這個實驗與信號處理接口方法中的硅壓力傳感器關(guān) 于壓力P和溫度T的壓力測量信號Vp-溫度信號Vt標定實驗完全相同。從實驗數(shù)據(jù)壓 力P-溫度T-壓力測量信號Vp-溫度信號Vt中，可以分別得到建模數(shù)據(jù)(壓力P-壓力信 號Vpm-溫度信號Vt)和(溫度T-壓力測量信號Vp-溫度信號Vt)。對這些實驗數(shù)據(jù)進行 二次曲面回歸分析方法，分別建立壓力P關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型P = g(Vpm,Vt)和溫度T關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型T = q (Vpm，Vt)，函數(shù)模型 如下式所示。壓力P關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型P = g(Vpm, Vt)P = -117. 758+1. 335XVpm+45. 134XVt_0. 00128XVpm2+0. 0477XVpm *Vt-4. 5113
xvt2
溫度T關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型T = q (Vpm, Vt)T = 2693. 282-1. 3888 XVpm-1182. 152XVt+0. 00103 XVpm2+0. 2441 X Vpm 'Vt+130 1434 XVt2利用壓力P函數(shù)模型P = g(Vpm, Vt)和溫度T函數(shù)模型T = q(Vpm, Vt)，將壓力 信號Vpm和溫度信號Vt處理為經(jīng)過溫度補償和非線性誤差補償?shù)膲毫π盘朠和溫度信號 T。下面是為了檢驗本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方法而做的兩個實施例。實施 例1 遲滯誤差補償實驗是在溫度不變的條件下檢驗遲滯誤差補償效果而做的實驗。實施 例2 遲滯誤差補償和溫度補償實驗是在溫度改變的條件下做的實驗。實驗儀器主要有活 塞式壓力計、恒流電源、溫度控制箱和高精度數(shù)字萬用表。實施例中使用的硅壓力傳感器的 量程為0 40Mpa。在室溫26°C，濕度56% RH條件下，參照JB/T 10524-2005機械行業(yè)標 準進行試驗。實施例1 遲滯誤差補償實驗為了檢驗本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方法的遲滯補償效果，采用如圖7所 示的壓力極值序列作為輸入壓力，傳感器所在溫控箱的溫度為30°C。將輸出電壓作為輸 入信號，分別用本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方法和未經(jīng)遲滯補償方法進行計算和比 較，誤差比較如圖8所示。其中，實線為本發(fā)明方法的誤差，虛線為非遲滯補償方法的誤差。 誤差值分析比較如表1所示。表 1 由試驗結(jié)果對比可知，經(jīng)遲滯補償后的壓力值的誤差明顯小于未經(jīng)遲滯補償?shù)膲?力值誤差。因此，對于硅壓力傳感器的遲滯誤差，使用本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方 法是有效的。實施例2 遲滯誤差補償和溫度補償實驗為了檢驗本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方法整體的補償效果，采用如圖9所 示的壓力作為輸入壓力，傳感器所在溫控箱的溫度為65°C。將輸出電壓作為輸入信號，分別 用本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方法和非線性誤差補償方法進行計算和比較，誤差比 較如圖10所示。其中，實線為本發(fā)明方法的誤差，虛線為非線性誤差補償方法的誤差。誤 差值分析比較如表2所示。表2 由試驗結(jié)果可知，經(jīng)遲滯、非線性誤差補償和溫度補償后的壓力值的誤差得到明 顯的減小，本發(fā)明高精度壓力傳感器信號補償方法是有效的。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
權(quán)利要求
一種高精度壓力傳感器信號補償方法，其特征在于，按照如下步驟(1)硅壓力傳感器測量得到壓力測量信號Vp和溫度測量信號Vt；壓力測量信號Vp依次經(jīng)信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路后進入DSP數(shù)據(jù)采集補償電路；溫度測量信號Vt經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路后進入DSP數(shù)據(jù)采集補償電路；(2)在DSP數(shù)據(jù)采集補償電路中，采用遲滯誤差補償方法將壓力測量信號Vp轉(zhuǎn)化為消除遲滯誤差的壓力值P’；(3)在DSP數(shù)據(jù)采集補償電路中，采用信號接口處理方法對壓力值P’進行溫度校正，得到經(jīng)過溫度校正后的壓力信號Vpm；(4)在DSP數(shù)據(jù)采集補償電路中，采用溫度補償方法，由經(jīng)過溫度校正的壓力信號Vpm和溫度信號Vt得到經(jīng)過溫度補償和非線性誤差補償?shù)膲毫π盘朠和溫度信號T。
2.如權(quán)利要求1所述高精度壓力傳感器信號補償方法，其特征在于，所述遲滯誤差補 償方法是指首先，用壓力測量信號Vp的極值序列Vpl、Vp2、…、Vpn表示壓力；其次，判斷壓力處 在加載過程還是卸載過程；然后分別利用遲滯逆模型a= x:^^外列或bzx^hx^州對 壓力測量信號Vp的極值序列Vpl、Vp2、…、Vpn進行處理，得到經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)膲毫π?號 P，的序列 P' i，P' 2，...，P' n；當(dāng)壓力在加載過程中，用于遲滯誤差補償?shù)倪t滯逆模型a= x；1 [x(a, b), b]為 其中，an為經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)漠?dāng)前的壓力值P' n，當(dāng)前壓力處于加載過程； Y為輸入向量，由當(dāng)前的極值壓力增量所對應(yīng)的電壓A Vn和前一個極值壓力Pn_i組成， 即 Y = ( A Vn，Ph)，其中 A Vn = VPn-VPn-i ；t為支持向量，即由訓(xùn)練樣本構(gòu)成的向量，即^ = (x^a^b,),^), (i = 1,2,... ,45)； a i為經(jīng)過訓(xùn)練得到的支持向量機的權(quán)值系數(shù)i = 1，2，. . .，45 ；當(dāng)壓力在卸載過程中用于遲滯誤差補償?shù)倪t滯逆模型為bix^hxp,州 其中，比為經(jīng)過遲滯誤差補償?shù)漠?dāng)前的壓力值P' n，當(dāng)前壓力處于卸載過程； Y為輸入向量，由當(dāng)前的極值壓力增量所對應(yīng)的電壓A Vn和前一個極值壓力Pn_i組成， 即 Y = ( A Vn，Ph)，其中 A Vn = VPn-VPn-i ；Yi為支持向量，即由訓(xùn)練樣本構(gòu)成的向量，即1 = (Xi(ai，bi)，a,), i = 1,2, ... ,45 ； a i為經(jīng)過訓(xùn)練得到的支持向量機的權(quán)值系數(shù)i = 1，2，. . .，45。
3.如權(quán)利要求1所述高精度壓力傳感器信號補償方法，其特征在于，所述信號處理接 口方法是指利用壓力信號Vpm關(guān)于壓力P和溫度T的函數(shù)模型Vpm = f (P’，Vt)，由未經(jīng) 溫度補償?shù)膲毫π盘朠’和溫度測量信號Vt處理得到經(jīng)過溫度校正的壓力信號Vpm ；函數(shù) 模型Vpm = f (P’，Vt)如下式所示 Vt2。
4.如權(quán)利要求1所述高精度壓力傳感器信號補償方法，其特征在于，所述溫度補償方 法是指利用壓力P關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型P = g(Vpm, Vt)和溫度T 關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型T = q(Vpm, Vt)，將壓力信號Vpm和溫度測量 信號Vt處理為經(jīng)過溫度補償和非線性誤差補償?shù)母呔鹊膲毫π盘朠和溫度信號T ； 壓力P關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型P = g(Vpm, Vt) P = -117. 758+1. 335XVpm+45. 134XVt_0. `00128XVpm2+0. 0477XVpm *Vt-4. 5113XVt`2溫度T關(guān)于壓力信號Vpm-溫度信號Vt的函數(shù)模型T = q(Vpm, Vt) T = 2693. 282-1. 3888 XVpm-1182. 152XVt+0. 00103 XVpm2+0. 2441 X Vpm 'Vt+130. 143 4XVt2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度壓力傳感器信號補償方法，將壓力傳感器測量得到的壓力測量信號和溫度測量信號輸入到數(shù)字信號處理器中；在數(shù)字信號處理器中，通過遲滯誤差補償方法將原始壓力信號轉(zhuǎn)化為未經(jīng)溫度補償、但消除遲滯誤差的壓力信號；通過信號接口處理方法，對上述壓力信號進行溫度校正，得到經(jīng)過溫度校正后的壓力信號；通過溫度補償方法，由經(jīng)過溫度校正的壓力信號和溫度信號處理得到經(jīng)過溫度補償和非線性誤差補償?shù)膲毫π盘柡蜏囟刃盘?。本發(fā)明能夠補償壓力傳感器的遲滯誤差、非線性誤差和環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的誤差，提高壓力傳感器的測量精度。
文檔編號G01L19/04GK101858811SQ201010202078
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者李晨, 楊川 申請人:西安交通大學(xué)