基于MAX1452的压力传感器校准系统毕业设计(7)

中北大学2012届本科毕业设计说明书

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4 传感器的校准及补偿

4.1 校准补偿目的

测量系统的线性度（非线性误差）是影响系统精度的重要指标之一，为了实现传感器的输入—输出特性是一条直线，也就是说在测量范围内传感器的灵敏度是一不变的常数，需要对传感器进行校准和温度补偿[23]。

理想传感器的输出量y与输入量x之间应为线性关系：y?kx?b，其中常数b和k分别对应于传感器的零点和灵敏度。对于实际的传感器输入、输出之间的关系会受到环境因素（主要是温度）的影响，叫是存在着一定的非线性。这样，实际传感器的输入、输出关系可以用下式来表示：

y??b0?b(T)???k0?k(T)??x???x??

2(4.1)

其中，b0和b(T)分别代表传感器的零点及其温漂；k0和k(T)分别代表灵敏度及其温漂；二次以上的高阶分量代表传感器的非线性。校准与补偿的目的，就是将上式中的b0和k0调整在某个精确的值，最大限度消除其中的温漂成分b(T)和

k(T)，并消除二次以上的非线性成分。

1．校准

校准的目的是将式的b0、k0调整在一个统一、精确的值，对于压阻式传感器分别对应于失调和满偏的校准。失调的校准是利用高精度DAC产生一个校准电压，叠加到经PGA放大后的传感信号中，使传感器的零点输出为一个标准的值。满偏输出FSO（也就是灵敏度）的校准分为两步：首先通过数字调节PGA的增益进行粗校；细校是利用DAC调节传感器的激励电流来实现的。恒流驱动时，传感器的灵敏度正

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比于桥路的激励电流，因此可以通过调节激励电流达到校准灵敏度或FSO的目的[24]。

2．温度补偿

温度漂移是压阻式传感器最主要的问题，典型传感器的失调及FSO温漂会达到20%～30%左右。而对于电阻应变片来说，温度的变化也会引起电阻值的变化，这样，

实际的测量结果就不完全是由于被测构件受力所产生的应变，还包括有由于温度变化带来的虚假应变。因此要获得足够的精度，必须进行仔细的补偿。温度的变化范围可能会很大，而温度漂移又具有非线性，所以MAX1452采用分段线性补偿（多斜率温度补偿）的方法，可以补偿任意的误差曲线[25]。

MAX1452用115个线性区段来近似实际的温度误差曲线，115个线性区段的补偿系数保存在内部EEPROM中。温度信号V(T)取自桥路的端电压（恒流供电时，桥路端电压与温度有关），用一个12位ADC将V(T)转换为数字量并用此数字量去寻址EEPROM，就可得到不同线性区段的补偿系数D(T)[26]。从EEPROM取出的失调和FSO补偿系数分别被写入两个16位DAC（OFFSETDAC和FSODAC），而它们的参考电压取自桥路端电压V(T)，这样，DAC的输出电压可以表示为：

VDAC?(4.2)

D(T)V(T) 162补偿系数通过对传感器误差测试数据进行曲线拟和得到。温度测试点越多、曲线拟和精度越高，则补偿精度也越高。但过多的测试点会增加测试工作量，增加生产成本。补偿后的残留误差还与误差曲线的非线性程度有关[27]。

3．非线性修正

任何传感器都存在非线性。为了信号处理和传输的方便。通常都要进行线性化处理。非线性修正的目的是要消除二次以上的高次项。 4.2 校准补偿方法及步骤

本课题所研究的压力及应变校准补偿均采用数字式信号调理器MAX1452，以下内容以压力传感器为例讲述应用MAX1452进行校准及补偿的原理及步骤。

MAX1452的模拟部分包含激励传感器桥的所有信号成分，将传感器的微小信号

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放大，补偿温度变化引起的偏置误差和灵敏度误差，并为校准提供多路可选模拟通道。其模拟信号方框图如图4.1所示[28]。它主要由6个功能模块构成，各模块功能见表4.1。MAX1452对传感器的校准和修正都是通过改变偏移量（IRO）和可编程放大器（PGA）的增益以及传感器电桥上的激励电压或电流实现的。

压力传感器的静态参数校准包括零点和灵敏度校准。MAX1452的校准程序相比起以前的产品来要简化很多。EEPROM查找表里提供的对灵敏度和偏置DAC的校准值，可以有效的隔离校准点上的互相依赖。另外，MAX1452可提供其内部功能的高度可伸缩性和可见性，这样就可以避免校准前对传感器的预测试，从而加快校准过程的速度[29]。

图4.1 MAX1452模拟信号通道方框图 表4.1 MAX1452的模拟功能框图

功能模块 桥激励 传感器信号放大 偏置及偏置温度补偿 满量程输出温度系数补偿 多路复用模拟输出 温度索引指针 描述 为惠斯通桥式传感器电路提供稳定的电流源激励 将传感器的微伏级微分信号放大为单引脚输出的放大电压 设置零点输出电压并在温度变化时维持零点输出电压 在传感器和MAX1452的温度变化时保持FSO电压固定 为校准需要，允许多路模拟信号在OUT引脚输出 内部有一个数字化温度传感器用来索引数字系数阵列 第28页 共38 页

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利用MAX1452进行校准，由于不同传感器厂商生产的传感器桥路电阻、灵敏度等参数存在很大差异，通常需要在使用前进行常温下的初始校准，以保证MAX1452内部电路工作在线性、可调节的范围内，同时为传感器设定初始参数[30]。

校正步骤如下：

（1） 在室温下对传感器施加最小压力；

（2） 调整FSO DAC的值，将MAX1452桥路驱动电压Vb调整至约2.5V； （3） 调整IRO DAC的值，将PGA模拟电压输出Vo粗调到0.2V～1.0V的范围内； （4） 调整OFF DAC的值，将PGA模拟电压输出Vo进一步细调至约0.5V； （5） 对传感器施加最大压力，测量此时的PGA模拟电压输出Vfs； （6） 计算理想桥路驱动电压Ideal_Vb，即：

Ideal_Vb = 期望达到的FSO×Vb/(Vfs-Vo)

（7） 如果Ideal_Vb的值小于1.5V或大于3.5V，则增大或减小PGA增益后从步骤（1）

重新开始校准；

（8） 如果Ideal_Vb的值在1.5V～3.5V的范围内，则将环境压力恢复为最小值； （9） 调整FSO DAC的值，使实测的桥路驱动电压Vb=Ideal_Vb； （10）调整FSO DAC的值，使PGA模拟电压输出等于要求的失调； （11）将数据写入EEPROM。 4.3传感器校准补偿数据处理

根据课题要求的测量范围，首先设定全量程需要检定的等间距压力点，然后使用压力泵给真空罐内从零点等间隔加压，当压力达到检定点值并持续稳定一段时间后，数字精密压力表上显示的数值稳定后，记录数据并保存；之后，开始进行下一个标定点的测试，当压力达到设定的最大测量值后，压力泵开始等间隔的卸压，直至回到零点，从而完成了一个循环[31]。多个循环结束后，由计算机对数据进行处理，得出标定曲线与所需的结果。

1标准曲线的确定

在系统整个测试量程内取m个测试点，并进行n次循环测试，各测试点的正、

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反行程测试值得算术平均值，分别按下式计算：

1nyIi??yIijnj?1(4.3)

(i?1,2??,m)

1nyDi??yDijnj?1(4.4)

(i?1,2??,m)

式中 yIij — 正行程第i个测试点第j个测试输出值 yDij — 反行程第i个测试点第j个测试输出值

分别由yIij、yDij (i?1,2??,m)所连接的曲线成为正行程校准曲线和反行程校准曲线。

各测试点的正行程和反行程测试值的算术平均值为：

yi?1(yIi?yDi)2 (i?1,2??,m)

(4.5)

由yi所连接的曲线称为该系统的校准曲线。 2．标定曲线的确定

（1）端点连线方程可用下式表示：

yEP?y1?ym?y1(x?x1) xm?x1(4.6)

式中 xm — 测试物理量上限值； x1 — 测试物理量下限值；

ym— 测试上限处测试输出值的平均值； y1— 测试下限处测试输出值的平均值； x — 测试系统在测试范围内的物理量值

（2）计算各测试点的正、反行程算术平均值与端点连线方程的差值：

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