摘要：從原理上論述了溫度對傳感器性能的影響，包括零點漂移、靈敏度隨溫度的變化。介紹了溫度補償的方法，提出了利用單片機進行溫度補償，實驗結(jié)果表明，該溫度補償是一種行之有效的方法。
關(guān)鍵詞：傳感器；溫度誤差；靈敏度：補償技術(shù)

1 引言
    傳感器廣泛應(yīng)用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，一切科學研究和生產(chǎn)過程要獲取信息都要通過其轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號，但大多數(shù)傳感器的敏感元件采用金屬或半導(dǎo)體材料，其靜特性與環(huán)境溫度有著密切的聯(lián)系。實際工作中由于傳感器的工作環(huán)境溫度變化較大，又由于溫度變化引起的熱輸出較大，將會帶來較大的測量誤差；同時，溫度變化也影響零點和靈敏度值的大小，繼而影響到傳感器的靜特性，所以必須采取措施以減少或消除溫度變化帶來的影響，即必須進行溫度補償。

2 溫度補償技術(shù)
    在傳感器的應(yīng)用中，為使傳感器的技術(shù)指標及性能不受溫度變化影響而采取一系列具體技術(shù)措施，稱為溫度補償技術(shù)。一般傳感器都在標準溫度(20+5)℃下標定，但其工作環(huán)境溫度也可能由零下幾十攝氏度升到零上幾十攝氏度。傳感器由多個環(huán)節(jié)組成。尤其是金屬材料和半導(dǎo)體材料制成的敏感元件，其靜特性與溫度有著密切的關(guān)系。信號調(diào)理電路的電阻、電容等元件特性基本不隨溫度變化，必須采取有效措施以抵消或減弱溫度變化對傳感器特性造成的影響。
2．1 溫度誤差靈敏度
    溫度誤差靈敏度是指傳感器輸出變化量與引起該輸出量變化的溫度變化量之比，即St=эy／эT，顯然傳感器的S越小，適應(yīng)環(huán)境溫度變化的能力越強，其溫度附加誤差就越小。
    環(huán)境溫度T對傳感器輸出的影響如圖1所示，傳感器的輸出y是輸入被測量x、環(huán)境溫度T的函數(shù)，即y=f(x,T)。

    當傳感器的輸出y與輸入x之間為線性關(guān)系時，則有

   
式中，a0(T)是傳感器的零位輸出；a1(T)是傳感器的靈敏度。
    這時，傳感器的溫度誤差靈敏度St為：

   
    從式(2)看出兩項組成，前者為傳感器零位輸出溫度誤差靈敏度，其大小反映傳感器零點隨溫度漂移的快慢；后者為傳感器輸出特性曲線的斜率(即靈敏度)的溫度誤差靈敏度，其大小反映傳感器量程隨溫度變化的快慢。
    當傳感器的輸出與輸入之間為非線性關(guān)系時，這種關(guān)系可用有限項的冪函數(shù)近似表示為：

    
    這時，傳感器的溫度靈敏度為：

   
    因此，為降低溫度變化對傳感器工作造成影響，應(yīng)設(shè)法減小溫度誤差靈敏度?？蓮膬煞矫婵紤]：減小傳感器零位輸出溫度誤差靈敏度，使傳感器的減小傳感器對溫度的敏感性，使
2．2 并聯(lián)式溫度補償原理
    并聯(lián)式溫度補償是人為地附加一個補償環(huán)節(jié)，如圖2所示。

    圖2中，y=a0(T)+a1(T)x是被補償部分的特性，而y'=a0'(T)+a1'(T)x是補償環(huán)節(jié)特性?？傒敵鰕1與輸入x、T的增量表達式為：

    由式(5)得到，為達到溫度補償?shù)哪康模溥x擇溫度補償環(huán)節(jié)的條件是：

  在式(6)中，按a1'(T)≈-a1(T)選擇參數(shù)，可使傳感器的靈敏度提高1倍。
    采用并聯(lián)式溫度補償，從理論上可實現(xiàn)完全補償，實際上只能是近似補償。特性曲線的溫度補償只能做到2點或3點是全補償，而其他點不是“過補償”就是“欠補償”。
2．3 零點溫度補償法
    所謂零點溫度補償，一般是設(shè)定一個溫度變化的量，使其與傳感器零點輸出隨溫度的變化相抵消，圖3為應(yīng)變片式傳感器零位補償電路。圖3中，R1為工作應(yīng)變片，R2為溫度補償片，R1、R2具有相同的溫度系數(shù)，且R2具有低的應(yīng)變靈敏系數(shù)。輸出電壓在初始條件下，R1=R2，且處在同一溫度場中，R3=R4，橋路平衡，試件未受力。

    當溫度變化時，應(yīng)變片R1的電阻值會發(fā)生變化，同理，溫度補償片R2的電阻值也       發(fā)生變化，此時輸出電壓：

   
    式中，△RT1是應(yīng)變片的阻值隨溫度的變化量；△RT2是溫度補償片的阻值隨溫度的變化量；因R1、R2處在同一溫度場中，則△RT1=△RT2，所以U0=0。
    在電路中加入補償片，可以抵消溫度影響，實現(xiàn)零點溫度補償。當試件受力時，應(yīng)變片的電阻有新的增量，而補償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量。這種補償方法精度高，但對材料有要求。
2．4 軟件補償法
    在高精度測量中，給傳感器附加硬件補償措施很難達到精度要求。所以，在測試系統(tǒng)中引入單片機或微機，利用軟件方法實現(xiàn)溫度補償。首先要測出傳感點的溫度，該溫度信號作為多路采樣開關(guān)采集信號的一路送入單片機。測溫元件通常是安裝在傳感器內(nèi)靠近敏感元件的地方，用來測量傳感點的環(huán)境溫度，測溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換送到單片機，單片機通過串行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)。等信號采樣結(jié)束，單片機運行溫度誤差補償程序，補償傳感器信號的溫度誤差。對于多個傳感器，可用多個測溫元件，常用的測溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻、AD950測溫管、PN結(jié)二極管等。溫度補償原理框圖如圖4所示。

    溫度變化給傳感器的實際測量帶來誤差，表現(xiàn)在靜特性方面。所以找出輸入輸出特性曲線的關(guān)系，建立數(shù)學模型，編制出溫度補償?shù)能浖绦?，即可實現(xiàn)溫度的自動補償。

3 結(jié)束語
    在檢測系統(tǒng)中，對測量的精度要求越來越高，因此減小或消除溫度誤差顯得尤為重要。上述方法采用單片機實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償，這是一種簡便、有效的方法，可大大提高傳感器的測量精度，降低測量系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度，提高可靠性，降低成本。其中采用軟件補償方法提高測量精度。該方法廣泛應(yīng)用于自動檢測儀表中，可實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償，這是一條行之有效的途徑。