传感器零点温度漂移补偿方法研究现状综述
我们把传感器在额定电压下，未受输入信号时的输出（一般为电压值）称为传感器的“零点”。零点输出的企业标准一般控制在满量程输出电压的百分之一。我们又把传感器零点随时间不断变化的现象，称为传感器的“零点漂移”[1]。
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，其静态特性与环境温度有着密切联系。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传感器的热输出较大，将会带来较大的测量误差；同时，温度变化影响零点大小，继而影响到传感器的静态特性，所以必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行零点温度补偿。
一、零漂产生原因
传感器零点产生漂移的原因很多。如对压力传感器来说，桥路中元件参数本身就不对称；弹性元件和电阻应变计的敏感栅材料温度系数，线胀系数不同，组桥引线长度不一致等综合因素，最后导致传感器组成电桥后相邻臂总体温度系数有一定差异，当温度变化时，相邻臂电阻变化量不同，从而使电桥产生输出不平衡，即产生了零点漂移[2]；对智能传感器，时漂——即对系统而言，随着时间的增加，相当于对系统进行老化处理，这样，系统的结构特征就要发生变化，从而产生漂移。温漂——受温度影响而引起的零点不稳定[3]。可见，温度的影响是产生零点漂移的最主要因素，也是最难控制的。
以压力传感器零点温度漂移为例，零点温度漂移是衡量压力传感器质量的一个重要性能指标，一般零点温度漂移系数用K0来表示：
K0?U0(T)?U0(T0)?100%FS/?C （1）
(T?T0)[UN(T0)?U0(T0)]上式中，UN(T0)为参考温度下满量程时的输出电压；U0(T)和U0(T0)分别为温度T和参考温度T0时的零点输出电压。由于热敏电阻制造工艺的不一致性，温度零点漂移系数K0不是一个定值，它在不同的温度区间有不同的值。通常也可以规定为某个温度范围内零点输出占满量程输出的比例（±百分数）或最大温度零点系数（即零点输出温度变化的最大斜率），一般该系数取值不能超过传感器精度值。
如图1所示为一定电激励条件下压力传感器典型的输出电压与压力之间的关系。温度为0℃时的曲线斜率大，25℃曲线的斜率其次，温度为50℃时曲线的斜率最小。当压力P=0时的输出电压U0便是零点输出电压。三条曲线的零点输出电压的差别就是零点温度漂移造成的。由图可见，U0有一个变化范围。但由于桥臂电阻制作的不一致性，U0（50℃）值不一定大于U0（0℃）值。
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图1 压力传感器的典型输出与输入之间的关系
二、传感器温度补偿在国内外研究现状
在对传感器温度补偿这一领域里，国外一直都走在前列。早在多年前就已经有人专门从事这方面的研究，并取得了很大的进步，提出了很多种不同的补偿方法，并已将某些研究成果应用于相关的生产实践中。例如美国著名的传感器公司kulite公司就基于相关的补偿方法研制出了一套补偿系统，并已经应用于生产，但是这个系统跟一台专用的计算机捆绑销售，而且其价格十分昂贵，每台售价大约要35万美元。
在国内，近年来在这方面的理论研究也取得了很大进步。如沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片的零点温度自补偿工艺，但是都是苦于没有一个精确的、可方便的应用于生产实践数学模型来计算补偿电阻的大小，难以实现在生产线上快速自动的补偿，效率不高。
由于温度是影响传感器零点漂移的主要原因，温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题，归纳起来其方法有两大类：硬件补偿、软件补偿。
三、零点温度漂移补偿方法研究
可见，零点温度漂移是影响传感器精度的重要指标之一。目前国外较先进的补偿模块，如MAX1457、MCA7707等，虽然可以将传感器的零漂补偿的很小，却损失了传感器的动态性能，且需要编程，增大了使用难度[5]。而我国现针对传感器零点温度补偿还未做到模块化，还是按照传统的补偿方法，根据实现的条件分为用硬件电路补偿和在智能芯片或微机中以软件方法实现补偿。
（1）硬件补偿：对压力传感器而言，方法有在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法，桥臂热敏电阻补偿法，桥外串、并联热敏电阻补偿法，双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。
以单晶硅压力传感器的零点温度漂移通过串并联电阻的方法进行补偿为例。单晶硅压力传感器，是利用单晶硅的压阻效应制成。压阻系数是随温度变化而变化，因此压阻效应原理本身可引起传感器输出的温度漂移；另外，半导体敏感元件的制作工艺也会带来传感器的整体温度漂移，如桥路电阻的不等同性、桥臂电阻的漏电流、装配应力等，即使是在没有输入的情况下，即零点温度漂移。
如图2所示，在电桥完全对称时(即R1R3=R2R4)输出应为零，在实际工艺条件下电阻总有些误差，如在电源电压为3V的条件下当R1=R2=R3=R，R4=99%R，由VOC=V·
R2R4?R1R3[6]
算出，VOC=7.5mV的零位输出。为了保证测量的准确性，必
(R1?R2)(R3?R4)须要对电桥进行零位补偿。根据经验，在有较高精度要求的场合下，用串并联电阻的补偿方
法，一般取αs=αp=0。
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图2 惠斯通电桥电路 图3 串并联相邻补偿电路 图4 串并联相间补偿电路 无论是恒压源还是恒流源供电，零位平衡的条件都是对臂电阻的乘积相等。零位温漂最小的条件都是在对臂电阻的乘积相等的前提下，对臂电阻的电阻温度系数之和相等。采用一串一并补偿的法则，可以有16种形式以上。按照电桥在一定温度变化范围内保持平衡的两个条件，可归结为两种基本形式来考虑。
第一种：串并联相邻的形式，如图3所示。使电桥平衡的条件是：
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R1(R3||Rp)?R2?(R4?Rs) （2）
?1?联立两式，，令N?RpR3?Rp?3??2?R4?4 （3）
R4?RsR2R4有: R1R3?(?1??2?2N?3)?(?1??2)2?4N?3?42(?1??2??3?N?4)?(?1??2?2N?3)?(?1??2)2?4N?3?42N?3?R3 （4）
Rp?Rs??R4 （5）
第二种：串并相间的形式，如图4所示，使电桥平衡的条件是：
(R1?Rs)(R3||Rp)?R2?R4 （6） R1?1Rp??3??2??4 （7）
R1?RsR3?Rp联立两式，得：
Rp?(?2??4)R3 （8）
(?3??2??4)?N?1
传感器零点温度漂移补偿方法研究现状综述
