壓力變送器的零點漂移問題分析

1、前言
1.1研究進展
       壓力變送器是一種能把被測量的壓力信號按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號的現(xiàn)場儀表，常常在高溫、低溫、腐蝕、振動、沖擊等環(huán)境中工作。根據(jù)被測介質(zhì)的壓力不同分為:壓力變送器，絕對壓力變送器,微差壓變送器,低、中、高差壓變送器,高靜壓變送器等。目前,在各種自動控制環(huán)境，輔助觀測儀器、測量與數(shù)據(jù)采集、檢測與控制、資源探測、家用電器、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生等一系列領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用。
       所謂變送器的零點漂移是指當(dāng)放大器的輸入端短路時,在輸入端有不規(guī)律的、變化緩慢的電壓產(chǎn)生的現(xiàn)象,即變送器的零點在無外部環(huán)境條件影響的情況下,自己變化。這種變化的量是隨時在變的,無正確的數(shù)值,所以，也不能按“實際值加上零點漂移值”來作為“測量值”。
1.2研究意義
       隨著壓力變送器使用領(lǐng)域的日益廣泛，產(chǎn)品的可靠性在這些應(yīng)用領(lǐng)域的重視程度越來越高。由于產(chǎn)品復(fù)雜的設(shè)計因素,包含多種多樣新型的生產(chǎn)工藝，可靠性影響存在的不確定因素也.非常多。所以,對壓力變送器的研究與應(yīng)用的關(guān)鍵問題就是如何對壓力變送器的可靠性進行相關(guān)的研究。為了確保壓力變送器測量正確,結(jié)果可靠,保證生產(chǎn)安全穩(wěn)定運行,本文就壓力變送器的零漂問題開展分析，從而減少國內(nèi)自動化控制設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本。
2、壓力變送器的工作原理及其零點漂移
2.1壓力變送器的靜態(tài)特性
       所謂靜態(tài)靈敏度，即變送器被測量的數(shù)值變化引起的輸出變化量。用戶可根據(jù)變送器的測量范圍、抗干擾能力等指標(biāo)特性進行選擇;特別是對傳感器中的敏感元件,其靈敏度的選擇為關(guān)鍵性指標(biāo)。
線性度則是指變送器實際的靜態(tài)特性的校準(zhǔn)特性曲線與某一理論參考直線不吻合程度的最大值。傳感器的靜態(tài)特性理論上是一條直線。但是,由于種種原因變送傳感器的實測輸入/輸出關(guān)系并不是一條直線。
       所謂的零點漂移，也就是指當(dāng)變送器的輸入和環(huán)境溫度不變時,輸出量隨時間變化的現(xiàn)象就是漂移。它是由于傳感器內(nèi)部各個環(huán)節(jié)性能的不穩(wěn)定性,或者其內(nèi)部溫度變化所引起的改變,反映了變送器穩(wěn)定性的一個指標(biāo)。
2.2壓力變送器的工作原理
       壓力變送器一般包括感壓單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元三個部分，而新的變送器可能還會增加顯示單元和具有現(xiàn)場總線功能(圖1)。壓力變送器按原理可分為電容式、諧振式、壓阻式、力(力矩)平衡式、電感式和應(yīng)變式等。

3、壓力變送器的零點漂移問題分析
3.1壓力變送器零點漂移的表示
       因為各個生產(chǎn)廠家生產(chǎn)電阻制造工藝的不一致性;因此，溫度零點漂移系數(shù)也就不是-一個定值。它往往根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟葏^(qū)間有直接關(guān)系。通常將其規(guī)定為某個溫度范圍內(nèi)零點輸出占滿量程輸出的比例(士百分?jǐn)?shù))或最大溫度零點系數(shù)(即零點輸出溫度變化的最大斜率),一般該系數(shù)取值不能超過變送器的精度值。
3.1.1產(chǎn)生零點漂移的原因分析
       此外，還與壓敏電阻有很大關(guān)系。只有當(dāng)電阻的摻雜濃度和阻值一致時,才能使電橋的零點輸出電壓小,零點熱漂移也小。但是,擴散時摻雜分布不易做到均勻,因此,它就要求壓敏電阻條越接近越好,越短越好。
       彈性體的應(yīng)力釋放不完全。彈性體與膜片選擇的材料有關(guān)。目前,共有6大類膜片介質(zhì),擴散硅、濺射膜、應(yīng)變片、陶瓷膜、電容膜以及藍寶石膜片。大多選擇陶瓷,是由于它的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40~135C ,還具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV,輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性,低價格的陶瓷變送器將是壓力變送器的一個主要發(fā)展方向。另外,陶瓷壓力變送器,沒有液體的傳遞,壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片產(chǎn)生微小的形變,厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋(閉橋) ,由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng),使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性,同時與激勵電壓也成正比的電壓信號。
3.1.2零點漂移產(chǎn)生原因的電路分析
       理想的情況下,組成惠斯通電橋的四個擴散電阻的阻值應(yīng)該是相等的。零點溫度漂移的產(chǎn)生是由于擴散電阻的阻值隨溫度變化引起的,在一-定的溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度的增加而增加，即擴散電阻的溫度系數(shù)R為正值。
4、壓力變送器零點漂移解決途徑
       大量研究報道,壓力變送器的零點漂移補償問題,并發(fā)表了一系列補償技術(shù)和算法。我們可以將這些補償技術(shù)大致分為硬件補償和軟件補償兩大類。
4.1硬件零點補償方法
       由于溫度是影響壓力變送器線性度的主因，零點漂移效應(yīng)補償就是利用雙惠斯登電橋結(jié)構(gòu)和線性電壓激勵進行補償。硬件補償方法還包括在橋臂上串、并聯(lián)恰當(dāng)恒定電阻法,橋臂熱敏電阻補償法,橋外串、并聯(lián)熱敏電阻樸償法,雙電橋補償技術(shù)、三極管補償技術(shù)等。
4.2軟件零點補償方法
       在數(shù)據(jù)信號采集過程中，當(dāng)觸發(fā)信號未發(fā)生到觸發(fā)采集以及在采集結(jié)束后的這一系列的時間段里;如果輸入的信號為0,而輸出的信號不為0。這時采集到的輸出數(shù)據(jù)并以隨機噪聲的形式存在，那么這些數(shù)據(jù)的處理與分析是毫無意義的,我們就將在這段時間里采集到的數(shù)據(jù)信號值稱之為零點漂移。
(1)多項式擬合規(guī)范化法。在實際測量中,壓力變送器所測量的溫度、壓力等物理量不會與輸出值呈現(xiàn)出嚴(yán)格的線性關(guān)系。因此,其函數(shù)關(guān)系常常是多項式的形式出現(xiàn)。這些多項式可用于非線性信號的擬合與分析,在這個過程中重點就是求解其各項系數(shù)值。
(2) RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。RBF (Radical Basis Function)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是目前經(jīng)常用于函數(shù)擬合的一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其基本原理:通常零點溫度補償軟件算法中公式法較復(fù)雜,切擬合精度常會受到限制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有使用的樣本數(shù)少,算法簡單、具有任意函數(shù)逼近能力,應(yīng)用前景良好。
此外，軟件法還包括查表法、插值法等,還有一些廠家從傳感器本身的特點出發(fā),采用特殊技術(shù),如改變摻雜濃度等,或者采用自校準(zhǔn)技術(shù)來解決零點漂移的問題但這些方法補償精度不高。
5、結(jié)語
       綜上所述,針對壓力變送器在使用過程中出現(xiàn)的零點漂移問題,本文就其產(chǎn)生的原因進行分析，提出利用硬件補償和軟件補償兩種技術(shù)方法，這兩種技術(shù)方法均可以實現(xiàn)由溫度引起的變送器零點漂移,并且都是行之有效的途徑。硬件補償技術(shù)固然重要，有其自制的優(yōu)勢,但是畢竟信息技術(shù)在發(fā)展,儀器設(shè)備微型化、智能化是未來的發(fā)展趨勢,所以，我們還必須加緊其它補償方法的研究,尤其是在軟件補償技術(shù)層面,諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法補償?shù)取?br />