基于數(shù)據(jù)處理的高精度溫壓復(fù)合傳感器的研究與設(shè)計

謝 鋒,程文進(jìn),曹勇全

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所,長沙 410111)

基于數(shù)據(jù)處理的高精度溫壓復(fù)合傳感器的研究與設(shè)計

謝 鋒,程文進(jìn),曹勇全*

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所,長沙 410111)

為了滿足航天測量領(lǐng)域重量輕精度高的測量要求,傳感器僅用單個擴(kuò)散硅壓力敏感探頭,實現(xiàn)溫度和壓力的復(fù)合測量。通過測量敏感探頭恒流激勵模式多溫度點多壓力點下的橋電壓作為原始標(biāo)定數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理過程抓住主要影響因子來擬合輸入輸出變量函數(shù)。然后采用直線或曲線族的插值的誤差修正方式來降低擬合誤差。傳感器壓力綜合精度從1.13%FS提高到0.05%FS的綜合精度,溫度綜合精度從2.06%FS提高到0.05%FS的綜合精度,最終滿足用戶0.05%FS綜合精度的技術(shù)指標(biāo)要求。

溫壓一體傳感器;數(shù)據(jù)處理;誤差修正;曲線簇插值

衛(wèi)星、飛船推進(jìn)劑剩余量測量是關(guān)系任務(wù)成敗的重要工作,事關(guān)衛(wèi)星、飛船剩余壽命預(yù)測和離軌時間選擇。貯箱推進(jìn)劑剩余量的測量精度具有重要意義和經(jīng)濟(jì)利益[1]。貯箱推進(jìn)劑溫度與壓力是兩個非常重要的遙測參數(shù),其測量精度要求盡可能高。目前溫度和壓力的復(fù)合測量大多數(shù)通過溫度傳感器和壓力傳感器來集成實現(xiàn)。壓力傳感器普遍采用擴(kuò)散硅敏感探頭來測量,敏感探頭采用現(xiàn)代MEMS工藝制備,探頭輸出特性與材料特性關(guān)系很大,因而高精度壓力測量需要進(jìn)行溫度補償[2]。溫度補償可以在敏感探頭橋臂電阻上串并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)補償或數(shù)字補償來實現(xiàn)。高精度的測量要求通常需要采用數(shù)字補償?shù)姆绞?目前常見的數(shù)字補償方式有曲線曲面擬合[3]、樣條曲線插值[4]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]的3種補償方式。材料的溫度特性影響傳感器壓力測量精度,但如果能將溫度特性提取出來,單一擴(kuò)散硅敏感探頭就可以同時實現(xiàn)溫度和壓力的復(fù)合測量。目前通常采用數(shù)據(jù)融合[6]的手段來實現(xiàn)不同信號的提取,但該方法非常復(fù)雜,本文結(jié)合傳感器探頭性能特性,通過誤差修正的方式來實現(xiàn)溫度和壓力的復(fù)合測量。

1 原始標(biāo)定數(shù)據(jù)采集

擴(kuò)散硅敏感探頭利用半導(dǎo)體材料的“壓阻效應(yīng)”來測量壓力,通過在半導(dǎo)體硅片上光刻4個電阻組成力敏全橋來實現(xiàn)。所謂壓阻效應(yīng)是指敏感元件電阻材料受到載荷應(yīng)力時,其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。敏感元件電阻率變化主要由壓阻系數(shù)、材料彈性模量和泊松比[7]等因素決定,而這些因素都受溫度變化的影響很大。即擴(kuò)散硅敏感探頭能得到溫度與壓力的某種組合函數(shù)輸出,通過對原始測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以獲得當(dāng)前溫度和壓力輸出。通過一個擴(kuò)散硅敏感探頭就可以實現(xiàn)溫度和壓力的復(fù)合測量,不需要額外的溫度敏感探頭,可以做得更加輕便,同時對于壓力溫度補償而言,補償采用的溫度即自身力敏全橋的溫度,不存在因補償溫度測量位置與力敏全橋位置差存在的溫度測量誤差問題及溫度測量不同步問題。補償后的壓力輸出更適應(yīng)瞬態(tài)溫度壓力變化的場合。

數(shù)據(jù)處理過程是一個因變量解耦、擬合函數(shù)求解過程,要單獨獲得溫度與壓力輸出,必須消除溫度與壓力彼此的交互影響。通常而言,需求解的函數(shù)關(guān)系越簡單越容易獲得更高的精度。因此制備敏感探頭的摻雜工藝、選用量程、溫度范圍、激勵方式等都應(yīng)朝著這個方向努力。擴(kuò)散硅敏感探頭采用恒流激勵可以消除4個橋臂電阻不一致帶來的溫度額外影響[2],獲得較簡單的電壓與溫度、壓力輸出信號,本文擴(kuò)散硅敏感探頭激勵方式與原始數(shù)據(jù)采集方式如圖1所示,采集力敏全橋的橋電壓Uac、Ubd作為原始標(biāo)定數(shù)據(jù)。

圖1 敏感芯體激勵與原始數(shù)據(jù)采集

采用數(shù)字處理方式獲得的傳感器精度與采集的原始標(biāo)定數(shù)據(jù)有關(guān),本文測量了不同溫度和壓力點下的力敏全橋橋電壓輸出,如表1所示。

表1 不同溫度與壓力下橋電壓Uac、Ubd輸出

從表1可以看出橋電壓Uac、Ubd同時是溫度T與壓力P的函數(shù),可以用式(1)、式(2)來表示。

Uac=f(T-P)

(1)

Ubd=g(T-P)

(2)

數(shù)字處理過程就是要消除溫度變量T、壓力變量P對彼此的影響,求得溫度T、壓力P與橋電壓Uac、Ubd的函數(shù)關(guān)系,用式(3)、式(4)來表示。

T=t(Uac,Ubd)

(3)

P=p(Uac,Ubd)

(4)

函數(shù)關(guān)系的求解過程是一個二因變量二自變量多元回歸[8]求解過程,求解起來非常復(fù)雜。本文通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,利用主要變化因子來擬合因變量,采用誤差修正[9-10]的方式來提高測量精度可以獲得溫度和壓力的高精度輸出。

2 溫度函數(shù)擬合與修正

從表1數(shù)據(jù)可以看出,標(biāo)定溫度變化時橋電壓Uac變化非常明顯,而Ubd相當(dāng)穩(wěn)定,因溫度引起的主要變化因子為橋電壓Uac,可采用橋電壓Uac作為自變量來擬合溫度。擴(kuò)散硅敏感探頭為半導(dǎo)體硅片上光刻應(yīng)變電阻橋,溫度與電阻的變化關(guān)系與半導(dǎo)體薄膜電阻溫度變化曲線[11]相似,不需要溫度高次信息來擬合,溫度T1可以選擇橋電壓Uac的三次多項式來擬合。同時注意到橋電壓Uac與測量壓力P有關(guān),最終結(jié)果必須通過誤差增量來修正擬合結(jié)果。采用0 MPa或壓力平均數(shù)據(jù)擬合帶來的誤差相差不大,本文采用0 MPa下的溫度T和橋電壓Uac標(biāo)定數(shù)據(jù)來擬合溫度,見式(5):

(5)

根據(jù)式(5)擬合的公式計算的溫度誤差如表2所示。

表2 根據(jù)橋電壓Uac擬合的溫度誤差

從表2可以看出,擬合溫度已經(jīng)接近標(biāo)定溫度,但橋電壓Uac還受壓力的影響,原始擬合數(shù)據(jù)的壓力波動導(dǎo)致溫度誤差隨著壓力增大而增大,溫度誤差與壓力的近似關(guān)系見式(6)。

eT=0.411×P

(6)

因此為了降低溫度測量誤差必須消除壓力的影響。本文中采用簡單的線性插值[12]誤差增量修正公式來降低壓力對擬合誤差的影響。從表1數(shù)據(jù)可以看出,標(biāo)定壓力變化時橋電壓Ubd變化非常明顯,而Uac相當(dāng)穩(wěn)定,因而壓力引起的主要變化因子為橋電壓Ubd,可直接用橋電壓Ubd來進(jìn)行誤差修正,見式(7):

ΔT=(Ubd-Ubd0)Terr.fs/Ubd.fs

(7)

式中:Ubd為力敏全橋b、d點實測電壓,mV;Ubd0為當(dāng)前溫度下0 MPa壓力對應(yīng)的橋電壓Ubd值,mV;Terr,fs為當(dāng)前溫度的壓力滿量程范圍溫度擬合最大誤差值,℃;Ubd,fs為當(dāng)前溫度的橋電壓Ubd壓力滿量程輸出,mV。

注意到溫度誤差除了與壓力有關(guān)外,還與當(dāng)前的溫度有關(guān),因此為了獲得足夠的測量精度,用來計算修正誤差增量的Ubd0、Terr,fs/Ubd,fs數(shù)據(jù)都應(yīng)采用當(dāng)前溫度擬合的函數(shù)值代替,當(dāng)前溫度可直接用T1代替。

最終測量溫度T為通過Uac擬合的溫度T1與通過Ubd修正的溫度增量T之和來表示,修正后的誤差如表3所示。

表3 修正后的溫度測量誤差

在標(biāo)定溫度點,修正后的溫度誤差在±0.01 ℃范圍以內(nèi),該溫度誤差已經(jīng)非常小,滿足溫度測量的需求。

3 壓力函數(shù)擬合與修正

從表1數(shù)據(jù)可以看出,標(biāo)定壓力變化時橋電壓Ubd變化非常明顯,而Uac相當(dāng)穩(wěn)定,因而壓力引起的主要變化因子為橋電壓Ubd,可直接用橋電壓Ubd來擬合測量壓力P。不同于溫度與橋電壓信號,壓力與橋電壓信號輸出具有非常豐富的高次信息,為了獲得足夠的測量精度,擬合函數(shù)采用四次多項式來擬合,見式(8)。

(8)

擬合數(shù)據(jù)采用20 ℃下的壓力P和橋電壓Ubd標(biāo)定數(shù)據(jù)。擬合后的壓力誤差數(shù)據(jù)如表4所示,該壓力誤差分布不僅與溫度有關(guān),還與壓力有關(guān),為壓力與溫度的二維曲面,如圖2所示。

表4 不同溫度、壓力下的壓力擬合誤差

圖2 擬合壓力誤差曲面

從圖2可以看出,僅通過Ubd擬合的壓力誤差較大,該誤差來源只要為材料的溫度特性影響,而且不同壓力下該溫度特性導(dǎo)致的誤差曲線不一樣,體現(xiàn)為不同的零點溫度漂移誤差[13]和靈敏度溫度漂移誤差[14],必須壓力誤差進(jìn)行修正。圖2二維曲面可分解為無窮多個不同溫度點下連續(xù)的壓力誤差曲線

簇組成,如果溫度點劃分的足夠細(xì)小,可認(rèn)為相鄰溫度點內(nèi)誤差呈線性變化,可以通過線性插值的方式來修正誤差,線性插值的函數(shù)見式(9)。

(9)

式中:eT1(p1)為溫度T1、壓力p1下的壓力誤差值,MPa;eT2(p1)為溫度T2、壓力p1下的壓力誤差值,MPa;T為當(dāng)前溫度,℃;T1為最接近當(dāng)前溫度的標(biāo)定溫度小值,℃;T2為最接近當(dāng)前溫度的標(biāo)定溫度大值,℃。

當(dāng)前溫度T采用第3節(jié)溫度擬合的數(shù)值,壓力p1采用式(6)擬合的數(shù)值,最終測量壓力P為通過式(6)采用Ubd擬合的壓力P1與通過溫度誤差修正的壓力增量P之和來表示,修正后的壓力誤差如表5所示,修正后壓力誤差范圍在±0.05%FS以內(nèi)。

表5 修正后的壓力測量誤差

4 結(jié)論

傳感器利用擴(kuò)散硅敏感探頭橋電壓輸出,獲得多溫度、多壓力點標(biāo)定獲得原始數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理最終實現(xiàn)溫度、壓力的復(fù)合輸出。傳感器僅用單一測量探頭,裁剪了額外溫度探頭的重量,也避免了額外溫度探頭測量點與壓力測量點處于不同的溫度場造成的補償溫度誤差問題。數(shù)據(jù)分析抓住主要影響因子,然后對誤差直接進(jìn)行修正,不需要對溫度、壓力與橋電壓復(fù)雜的多元耦合關(guān)系進(jìn)行解耦或多元多因變量回歸,僅通過直線或者曲線族線性插值的誤差修正方式即可實現(xiàn),操作實現(xiàn)流程非常簡單,便于計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。通過數(shù)據(jù)分析可以將傳感器壓力綜合精度從1.13%FS提高到0.05%FS的綜合精度,溫度綜合精度從2.06%FS提高到0.05%FS的綜合精度,達(dá)到用戶實際項目技術(shù)指標(biāo)要求。傳感器非常適合運載火箭等航天溫度壓力的測量需求。采用插值的誤差修正的方式,要達(dá)到用戶技術(shù)指標(biāo)指定的綜合精度,只需要增加足夠的標(biāo)定點數(shù),實現(xiàn)復(fù)雜度也只是線性增加,該實現(xiàn)方法簡單易行。

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ResearchandDesignofHighPrecisionTemperatureandPressureSensorBasedonDataProcessing

XIEFeng,CHENGWenjin,CAOYongquan*

(The 48th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Changsha 410111,China)

Single traditional diffusion silicon pressuresensitive probe is chosen to meet the high-precision measurement requirements of Pressure and temperature in the field of aerospace,where the weight must as light as possible. The original calibration datas of multi-temperature multi-pressure point are obtained by measuring the output voltage of the sensitive probe under constant current excitation. The input and output variable functions are fitted by the main influencing factor. And then the linear or curve family interpolation error correction method is used to reduce the fitting error. The comprehensive accuracy of the pressure is increased from 1.13% FS to 0.05% FS,and from 2.06% FS to 0.05% FS for temperature. The sensor finally meet the user 0.05% FS comprehensive accuracy requirements.

temperature and pressure integrated sensor;data processing;error correction;curve cluster interpolation

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.011

2017-05-17修改日期2017-07-27

TPS212

A

1004-1699(2017)12-1845-05

謝鋒(1983-),男,工程師,西安電子科技大學(xué)畢業(yè),大學(xué)本科學(xué)歷,現(xiàn)從事傳感器技術(shù)及應(yīng)用研究,xiefeng@cs48.com;

程文進(jìn)(1983-),男,高級工程師,碩士研究生學(xué)歷,微電子專業(yè),現(xiàn)從事半導(dǎo)體設(shè)備及MEMS工藝研究,chenwj@cs48.com;

曹勇全(1984-),男,工程師,東南大學(xué)畢業(yè),碩士研究生學(xué)歷,控制科學(xué)與工程專業(yè),現(xiàn)從事傳感器技術(shù)及應(yīng)用研究,caoyq@cs48.com。