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律轉換成標準輸出信號的現場儀表，常常在高溫、低溫、腐蝕、振動、沖擊等環境中工作。根據被測介質的壓力不同分為: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,在各種自動控制環境，輔助觀測儀器、測量與數據采集、檢測與控制、資源探測、家用電器、環境保護、醫療衛生等一系列領域廣泛地應用。
       所謂變送器的零點漂移是指當放大器的輸入端短路時,在輸入端有不規律的、變化緩慢的電壓產生的現象,即變送器的零點在無外部環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域的日益廣泛，產品的可靠性在這些應用領域的重視程度越來越高。由于產品復雜的設計因素,包含多種多樣新型的生產工藝，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用的關鍵問題就是如何對壓力變送器的可靠性進行相關的研究。為了確保壓力變送器測量正確,結果可靠,保證生產安全穩定運行,本文就壓力變送器的零漂問題開展分析，從而減少國內自動化控制設備生產企業的生產成本。
2、壓力變送器的工作原理及其零點漂移
2.1壓力變送器的靜態特性
       所謂靜態靈敏度，即變送器被測量的數值變化引起的輸出變化量。用戶可根據變送器的測量范圍、抗干擾能力等指標特性進行選擇;特別是對傳感器中的敏感元件,其靈敏度的選擇為關鍵性指標。
線性度則是指變送器實際的靜態特性的校準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/輸出關系并不是一條直線。
       所謂的零點漂移，也就是指當變送器的輸入和環境溫度不變時,輸出量隨時間變化的現象就是漂移。它是由于傳感器內部各個環節性能的不穩定性,或者其內部溫度變化所引起的改變,反映了變送器穩定性的一個指標。
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
       因為各個生產廠家生產電阻制造工藝的不一致性;因此，溫度零點漂移系數也就不是-一個定值。它往往根據當地的溫度區間有直接關系。通常將其規定為某個溫度范圍內零點輸出占滿量程輸出的比例(士百分數)或最大溫度零點系數(即零點輸出溫度變化的最大斜率),一般該系數取值不能超過變送器的精度值。
3.1.1產生零點漂移的原因分析
       此外，還與壓敏電阻有很大關系。只有當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。
       彈性體的應力釋放不完全。彈性體與膜片選擇的材料有關。目前,共有6大類膜片介質,擴散硅、濺射膜、應變片、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、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV,輸出信號強，長期穩定性好。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,使電橋產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該是相等的。零點溫度漂移的產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，電阻值隨溫度的增加而增加，即擴散電阻的溫度系數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,并發表了一系列補償技術和算法。我們可以將這些補償技術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，零點漂移效應補償就是利用雙惠斯登電橋結構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、并聯恰當恒定電阻法,橋臂熱敏電阻補償法,橋外串、并聯熱敏電阻樸償法,雙電橋補償技術、三極管補償技術等。
4.2軟件零點補償方法
       在數據信號采集過程中，當觸發信號未發生到觸發采集以及在采集結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據并以隨機噪聲的形式存在，那么這些數據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據信號值稱之為零點漂移。
(1)多項式擬合規范化法。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出嚴格的線性關系。因此,其函數關系常常是多項式的形式出現。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值。
(2) RBF神經網絡法。RBF (Radical Basis Function)神經網絡法是目前經常用于函數擬合的一種人工神經網絡。其基本原理:通常零點溫度補償軟件算法中公式法較復雜,切擬合精度常會受到限制。人工神經網絡法具有使用的樣本數少,算法簡單、具有任意函數逼近能力,應用前景良好。
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,采用特殊技術,如改變摻雜濃度等,或者采用自校準技術來解決零點漂移的問題但這些方法補償精度不高。
5、結語
       綜上所述,針對壓力變送器在使用過程中出現的零點漂移問題,本文就其產生的原因進行分析，提出利用硬件補償和軟件補償兩種技術方法，這兩種技術方法均可以實現由溫度引起的變送器零點漂移,并且都是行之有效的途徑。硬件補償技術固然重要，有其自制的優勢,但是畢竟信息技術在發展,儀器設備微型化、智能化是未來的發展趨勢,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層面,諸如神經網絡方法補償等。