浅谈传感器的温度补偿技术

摘要：从原理上论述了温度对传感器性能的影响，包括零点漂移、灵敏度随温度的变化。介绍了温度补偿的方法，提出了利用单片机进行温度补偿，实验结果表明，该温度补偿是一种行之有效的方法。
关键词：传感器；温度误差；灵敏度：补偿技术

1 引言
    传感器广泛应用于各种工农业生产实践中，一切科学研究和生产过程要获取信息都要通过其转换为易传输与处理的电信号，但大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料，其静特性与环境温度有着密切的联系。实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大，又由于温度变化引起的热输出较大，将会带来较大的测量误差；同时，温度变化也影响零点和灵敏度值的大小，继而影响到传感器的静特性，所以必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。

2 温度补偿技术
    在传感器的应用中，为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取一系列具体技术措施，称为温度补偿技术。一般传感器都在标准温度(20+5)℃下标定，但其工作环境温度也可能由零下几十摄氏度升到零上几十摄氏度。传感器由多个环节组成。尤其是金属材料和半导体材料制成的敏感元件，其静特性与温度有着密切的关系。信号调理电路的电阻、电容等元件特性基本不随温度变化，必须采取有效措施以抵消或减弱温度变化对传感器特性造成的影响。
2．1 温度误差灵敏度
    温度误差灵敏度是指传感器输出变化量与引起该输出量变化的温度变化量之比，即St=эy／эT，显然传感器的S越小，适应环境温度变化的能力越强，其温度附加误差就越小。
    环境温度T对传感器输出的影响如图1所示，传感器的输出y是输入被测量x、环境温度T的函数，即y=f(x,T)。

    当传感器的输出y与输入x之间为线性关系时，则有

   
式中，a0(T)是传感器的零位输出；a1(T)是传感器的灵敏度。
    这时，传感器的温度误差灵敏度St为：

   
    从式(2)看出两项组成，前者为传感器零位输出温度误差灵敏度，其大小反映传感器零点随温度漂移的快慢；后者为传感器输出特性曲线的斜率(即灵敏度)的温度误差灵敏度，其大小反映传感器量程随温度变化的快慢。
    当传感器的输出与输入之间为非线性关系时，这种关系可用有限项的幂函数近似表示为：

    
    这时，传感器的温度灵敏度为：

   
    因此，为降低温度变化对传感器工作造成影响，应设法减小温度误差灵敏度。可从两方面考虑：减小传感器零位输出温度误差灵敏度，使传感器的减小传感器对温度的敏感性，使
2．2 并联式温度补偿原理
    并联式温度补偿是人为地附加一个补偿环节，如图2所示。

    图2中，y=a0(T)+a1(T)x是被补偿部分的特性，而y'=a0'(T)+a1'(T)x是补偿环节特性。总输出y1与输入x、T的增量表达式为：

    由式(5)得到，为达到温度补偿的目的，其选择温度补偿环节的条件是：

  在式(6)中，按a1'(T)≈-a1(T)选择参数，可使传感器的灵敏度提高1倍。
    采用并联式温度补偿，从理论上可实现完全补偿，实际上只能是近似补偿。特性曲线的温度补偿只能做到2点或3点是全补偿，而其他点不是“过补偿”就是“欠补偿”。
2．3 零点温度补偿法
    所谓零点温度补偿，一般是设定一个温度变化的量，使其与传感器零点输出随温度的变化相抵消，图3为应变片式传感器零位补偿电路。图3中，R1为工作应变片，R2为温度补偿片，R1、R2具有相同的温度系数，且R2具有低的应变灵敏系数。输出电压在初始条件下，R1=R2，且处在同一温度场中，R3=R4，桥路平衡，试件未受力。

    当温度变化时，应变片R1的电阻值会发生变化，同理，温度补偿片R2的电阻值也       发生变化，此时输出电压：

   
    式中，△RT1是应变片的阻值随温度的变化量；△RT2是温度补偿片的阻值随温度的变化量；因R1、R2处在同一温度场中，则△RT1=△RT2，所以U0=0。
    在电路中加入补偿片，可以抵消温度影响，实现零点温度补偿。当试件受力时，应变片的电阻有新的增量，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量。这种补偿方法精度高，但对材料有要求。
2．4 软件补偿法
    在高精度测量中，给传感器附加硬件补偿措施很难达到精度要求。所以，在测试系统中引入单片机或微机，利用软件方法实现温度补偿。首先要测出传感点的温度，该温度信号作为多路采样开关采集信号的一路送入单片机。测温元件通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方，用来测量传感点的环境温度，测温元件的输出经放大及A/D转换送到单片机，单片机通过串行接口接收温度数据，并暂存温度数据。等信号采样结束，单片机运行温度误差补偿程序，补偿传感器信号的温度误差。对于多个传感器，可用多个测温元件，常用的测温元件有半导体热敏电阻、AD950测温管、PN结二极管等。温度补偿原理框图如图4所示。

    温度变化给传感器的实际测量带来误差，表现在静特性方面。所以找出输入输出特性曲线的关系，建立数学模型，编制出温度补偿的软件程序，即可实现温度的自动补偿。

3 结束语
    在检测系统中，对测量的精度要求越来越高，因此减小或消除温度误差显得尤为重要。上述方法采用单片机实现传感器温度误差补偿，这是一种简便、有效的方法，可大大提高传感器的测量精度，降低测量系统电路的复杂程度，提高可靠性，降低成本。其中采用软件补偿方法提高测量精度。该方法广泛应用于自动检测仪表中，可实现传感器温度误差补偿，这是一条行之有效的途径。