压力传感器的漂移分析

方泽川

摘要：文章对压力传感器与零点漂移进行了简单介绍，并强调了处理零点漂移问题的必要性。同时，选取某型号玻璃微溶原理压力传感器进行的检测，分析零点漂移的主要原因并针对性提出了压力传感器零点漂移问题的处理建议。在此基础上，拓展性阐述了在当前实践中较为常用的几种压力传感器零点漂移问题的优化解决与处理方案，包括基于模糊神经网络的压力传感器零点漂移补偿法、压力传感器中基于自调谐整流的漂移消除、压力传感器的热零点漂移补偿技术，以期更好实现压力传感器零点漂移的补偿与消除。

关键词：压力传感器；零点漂移；神经网络；自调谐

引言：在压力传感器的运行过程中，长期存在着其线性度等受到温度的影响而产生零点漂移问题，降低压力传感器的应用性能水平。基于此，需要针对该问题进行深入探究，并重点落实对漂移的补偿与消除。

一、压力传感器与零点漂移分析

    压力传感器一般包含敏感元件与转换元件这两部分，其中，敏感元件主要实现对被测量部分的直接感受与响应；转换元件主要实现对被测量的应变或是敏感元件的感受进行响应，并将其转换为电信号。压力传感器的零点漂移主要指的是在规定的测试条件下，当输入压力为零时，输出值随时间正向、负向或上、下跳动超过规定指标。[1]。在压力传感器的实际运行中，一旦发生零点漂移问题，则会直接导致输出的检测结果精准程度下降，因此必须要落实重点处理与规避。

二、压力传感器的零点漂移问题分析

（一）检测分析

    1.压力传感器零点漂移问题的检测方案

选取某型号压力传感器进行的检测，其压力传感器的量程为100MPa，检测次数设定为10次，确定每次检测时获取到的零点漂移值，以此综合判断零点漂移问题的存在情况。

2.压力传感器零点漂移问题的检测结果

本次压力传感器零点漂移检测所得到的结果具体如下所示：在第一次检测时，得到的零点漂移值为-1MPa；在第二次检测时，得到的零点漂移值为2MPa；在第三次检测时，得到的零点漂移值为0MPa；在第四次检测时，得到的零点漂移值为-2MPa；在第五次检测时，得到的零点漂移值为-2MPa；在第六次检测时，得到的零点漂移值为0MPa；在第七次检测时，得到的零点漂移值为1MPa；在第八次检测时，得到的零点漂移值为2MPa；在第九次检测时，得到的零点漂移值为0MPa；在第十次检测时，得到的零点漂移值为-1MPa。

对上述结果进行综合分析，能够了解到，在对本压力传感器进行重复10次的零点漂移检测期间，存在7次零点漂移，最大值保持在±2MPa的水平，可以判断出该压力传感器存在零点漂移问题，因此，相应压力传感器在实际应用过程中所产生的数据极有可能发生偏差。

（二）零点漂移的主要原因分析

造成零点漂移问题现象产生的主要原因在于，在温度发生变化的条件下，压力传感器内的晶体管会受到一定程度的影响，电源电压也容易发生波动。在多数放大器中，前级的零点漂移影响最大，放大倍数越大、级数越大，所以零点漂移的严重程度更高。对于零点漂移问题而言，其严重程度主要受到应变材料的影响，相应材料的组成或是成分直接关系着压力传感器的热敏性以及稳定性程度。同时，加工制造工艺也会对零点漂移问题的产生情况产生一定程度的影响，在制造工艺存在差异的条件下，实际生成的效果的应变值也有着较为明显的不同。针对该压力传感器的零点漂移问题发生成因进行深入分析，发现主要原因包括：该压力传感器的应变片与金属膜之间的玻璃层在烧结时，树脂排气不充分，使玻璃内含着一定的气泡；生产环境洁净度达不到万级指标，在玻璃内有杂质；该压力传感器的应变片本身所具备的性能稳定性水平并不理想；该压力传感器的电路中包含着一定的虚焊点；该压力传感器内的金属弹性膜片应力释放完全程度较低，存在温度、频率以及磁场等方面的变化。

（三）压力传感器零点漂移问题的处理建议

    对于压力传感器而言，零点热漂移是影响其性能的重要指标，实践中，可以通过多种处理方法完成零点热漂移修正或是缩小其范围。力敏电阻的不等性以及温度非线性决定着零点漂移，且零点漂移也与力敏电阻的反向漏电之间存在着较为密切的关联性[2]。基于这样的情况，为解决本压力传感器的零点漂移问题，主要利用多晶硅对衬底中的重金属杂质落实全面吸附，以此促使力敏电阻的反向漏电得以明显降低，实现对零点漂移问题的优化改善，支持该压力传感器的性能水平有所提升。同时，可以依托对零点电漂移的利用实现对压力传感器零点热漂移的有效消除。对于温度调节而言，可以应用压力传感器内部温度电阻以及灵敏度电阻完成补偿；对于引入电力转换的变送器而言，其中存在于电路部分的零点漂移可以依托优化选用的元器件以及更为合适的电路设计方案完成补偿。在此基础上，还需要选用具备更高灵敏系数、更小温度变化的应变材料，从而达到更好消除该压力传感器零点漂移问题的效果，体现出对该压力传感器性能稳定性的更好维护。

三、压力传感器零点漂移问题的优化解决与处理方案探究

（一）基于模糊神经网络的压力传感器零点漂移补偿法

在应用基于模糊神经网络的压力传感器零点漂移补偿法进行压力传感器零点漂移问题的处理与解决实践中，所应用的补偿操作可以细化为两步骤，具体如下：第一，网络学习。选定压力传感器，在其实际所具备的测量范围内随机完成n个u=[u1，u2，u3，...，un]的获取，以及对应输出值的提取，以此为基础针对输出值落实模糊量化处理；随机进行单组网络初始权值的生成，并将各个输出值设定为模糊神经网络的输出值，以此为基础完成网络实际输出值的计算与确定；将各个u设定为模糊神经网络的期望输出，以此为基础确定出训练模糊神经网络的权值，直至网络学习结束。第二，误差补偿。对于实际测量的物理量u而言，其在经过传感器后能够实现转换，并以v=f(u)实现输出，v为u的对应输出值；依托网络神经网络实施泛化处理，以此为基础进行对实际输出的计算与确定，并在此条件下完成对相应压力传感器非线性误差的有效补偿。

选取某型号压力传感器为检测对象，针对该基于模糊神经网络的压力传感器零点漂移补偿法的应用效果进行仿真分析。该压力传感器的量程维持在p0-p0+10MPa的范围内（p0代表着标准大气压）；精度维持在1%；工作温度保持在零下10℃至零上85℃的范围内；补偿温度设定为-40℃、25℃和125℃三个温度点。在这样的条件下，得到的该压力传感器零点输出结果如下所示：在该压力传感器工作温度为25℃的条件下，其零点输出为103mV；在该压力传感器工作温度为30℃的条件下，其零点输出为129.4mV；在该压力传感器工作温度为37℃的条件下，其零点输出为129.4mV；在该压力传感器工作温度为44℃的条件下，其零点输出为117.9mV；在该压力传感器工作温度为54℃的条件下，其零点输出为117.2mV；在该压力传感器工作温度为60℃的条件下，其零点输出为111.3mV；在该压力传感器工作温度为70℃的条件下，其零点输出为108.5mV。

对于神经网络输入层的两个节点而言，分别对应着压力传感器的输出与其工作温度标准化后的值；对于神经网络输出层的一个节点而言，其属于修正后的压力传感器输出。结合该型号压力传感器的理想标定值，可以判断108.2为网络的期望响应，10-3为目标误差。在模糊神经网络的实际学习的过程中，各层神经源节点之间的连接权值能够实现逐步性优化，从而实现零点漂移补偿。组织网络迭代训练，实践发现，在完成45次训练后，能够促使误差达到理想值水平，具体为0.001243；结合获取到的模糊数据网络补偿结果能够得出，依托模糊神经网络所获的曲线更为理想，相对误差平均为0.27%，能够达到促使压力传感器输出误差明显下降的效果，同时使得该压力传感器的精度从原有的中低级转变为了中高级。综合而言，相比于一般网络来说，模糊神经网络算法的运算速度更高，且实际得到的数据精度更为理想，有着更加明显的零点漂移补偿效果。

（二）压力传感器中基于自调谐整流的漂移消除

烧结在压力传感器内的应变片会随着外界干扰强度的变化而发生改变，压力感知信号的非线性特征明显，容易发生零点漂移问题，同时也会生成一些更加复杂的问题，如产生影响检测精度的零点电漂移等等，使得压力传感器实际承担着的零点漂移问题严重程度显著提升。设定外界干扰向量（迟滞、干扰强度、干扰源规模、力学漂移等）、应变片的电阻以及非线性系数可以构成压力传感器的三维空间，此时则有：在压力传感器应变片的电阻降低同时非线性系数增大的条件下，压力感知信号的现实分析精度呈现出下降发展趋势，结合新标定位误差，促使零点漂移问题发生，降低压力传感器的现实灵敏度水平，也对压力感知精度以及传感器的运行效率产生直接性影响。基于这样的情况，可以结合压力传感器零点漂移特点以及三位曲线规律，展开对压力传感器内置供电电路的整流调整，从而达到降低零点漂移问题发生概率的效果。实践中，可以在压力传感器内投放由多个电阻、多个电容、二极管、触发器以及外置非门运算器等结构所组成的自调谐整流电路，以此赋予压力传感器以自调谐整流功能，促使压力传感器的工作电压长时间维持在平稳且持续增大的水平，降低零点漂移发生概率以及相应问题对压力信号感知精度所产生的负面影响。

（三）压力传感器的热零点漂移补偿技术

1.硬件零点补偿法

在当前的压力传感器硬件零点补偿实践中，可以应用的方法相对较多，包括双电桥补偿技术、三级管补偿技术、桥臂热敏电阻补偿技术以及桥外串、并联热敏电阻补偿技术和桥臂上串、并联恰当恒定电阻补偿技术等等[3]。主要以双电桥补偿技术为例进行详细说明，当前，双电桥补偿技术在压力传感器的热零点漂移补偿中较为常用，一般情况下，除了可以使用常规的非线性补偿方法消除温度影响之外，还可以依托双惠斯登电桥原理的应用完成补偿。结合双电桥补偿原理可以了解到，对于压阻电桥的4个电阻R

1i(i= 1，2，3，4) 以及补偿电桥的4个电阻R2i(i= 1，2，3，4)而言，这些电阻能够在膜片上呈现出对称分布的状态,由此可以判断出，在空间分布、应变区域上，两个电桥保持着完全相同的状态，所以任意一个电桥均不占优势。在工艺上，需要最大程度确保两种类电桥的电阻值对应相等，且对应的温度灵敏度系数等值反号。因此，从理论方面来看，依托双惠斯登电桥原理的使用完成对温度补偿式圆平薄膜压阻式力传感器的设计，能够达到对温度漂移问题落实有效控制的效果。

2.软件补偿零点漂移方法

在压力传感器实际的信号采集过程中，未发生触发信号直至触发采集，最终完成信号采集的这一段时间内，输入的信号始终保护在零的状态，而输出的信号并不为零[4]。此时，实际采集到的输出数据一般均以随机造成的形式显现，在数据计算以及处理实践中并不能够发挥出较为理想的价值性与作用性。此时，可以将未发生触发信号直至触发采集、最终完成信号采集的这一段时间内实际所采集到的信号值理解为零点漂移。为实现对相应零点漂移的补偿，可以应用的软件方法相对多样，而在当前的实践中最为常用的软件补偿零点漂移方法为多项式拟合规范化法。在现实测量操作中，压力传感器实际测量得到的各个物理量数值（如压力、温度等），与输出值之间并不存在着严格的线性关系，所以此时能够得到的函数关系普遍以多项式的形式而存在。依托多项式，可以实现对非线性信号的拟合，此时一般可以利用神经网络法确定各项系数。

总结：综上所述，在压力传感器的实际运行中，一旦发生零点漂移问题，则会直接导致输出的检测结果精准程度下降，因此必须要落实重点处理与规避。实践中，需要切实参考压力传感器零点漂移问题的主要产生原因，进行针对性处理方案的设定，结合先进零点漂移补偿技术的引入，实现对压力传感器应用性能的更好维护。

参考文献：

[1]聂梦笛,郑刚,张雄星,等. 调频连续波干涉光纤压力传感器的温度漂移补偿[J]. 激光与光电子学进展,2022,59(07):348-356.

[2]王文博,马琳,王永鹏,等. 基于三次样条曲线插值的压力传感器温度补偿研究[J]. 机电信息,2020,(23):33-35.

[3]毛仕洋,袁氢. 简析压力传感器温度漂移补偿的控制电路设计[J]. 信息通信,2019,(11):87-88.

[4]聂萌,陈佳琦,徐峰. 柔性压力传感器温度漂移补偿结构设计[J]. 传感技术学报,2019,32(10):1443-1446+1466.