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。

    現(xiàn)階段對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)

    阻性傳感器對溫度變化敏感,，易受環(huán)境溫度影響，導(dǎo)致輸出信號發(fā)生零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移,。隨著國民經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域?qū)ψ栊詡鞲衅髟诖蠓鶞囟茸兓碌臏y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(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]有機(jī)械傳動結(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?、遲滯而產(chǎn)生的誤差，大大提高了傳感器的精度,。硅壓力傳感器無活動部件,，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(bǔ)償是一個(gè)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(dāng)中,，傳感器會受到測量環(huán)境溫度變化的影響，導(dǎo)致輸出信號產(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)均需要信號調(diào)整補(bǔ)償,，傳統(tǒng)的信號調(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，輸出信號也可以進(jìn)行補(bǔ)償,，以提高其測量精確度^[2],。

    綜合目前國內(nèi)外對阻性傳感器溫度補(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)方向相反來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償^[5-6],?；谟布a(bǔ)償方法對傳感器的零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移補(bǔ)償，一般是分開進(jìn)行的,。

    對于阻性傳感器零點(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)償原理是通過串并聯(lián)在電橋上的電阻來調(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,，甚至可能使原來就已較好的傳感器效果變差,。用恒流源計(jì)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(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)償方法主要是針對阻性傳感器的輸出信號，一般是對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的同時(shí),，還輸出一路溫度信號,，利用這兩個(gè)信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理來實(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對象的實(shí)際值,，但是也存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,，訓(xùn)練周期長等缺點(diǎn)^[2]。

3 發(fā)展趨勢

    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,。

傳感器信號調(diào)理技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)方向：

    (1)數(shù)字傳感信號處理器（DSSP）^[12],。DSSP技術(shù)包括利用ADC對傳感器信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，利用存儲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，其輸出的信號都是數(shù)字信號,，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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程當(dāng)中，會引入量化誤差,，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銷。

    (2)模擬傳感信號處理器（ASSP）^[12],。MAX1452溫度信號調(diào)理芯片即屬于這種模擬信號處理器,，它是通過調(diào)整DAC來調(diào)整傳感器的激勵電流，利用可編程的放大器來調(diào)整輸入信號的偏移和增益,。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,，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(zhǔn)輸入，DAC的輸出作為反饋信號的調(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)格會隨著其分辨率的增加而增加,。這個(gè)問題隨著新型(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專用集成信號調(diào)理芯片相結(jié)合,，是一種很有效的針對阻性傳感器溫度補(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

    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。

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