CC BY
73
2014»: Материалы XI Междунар. науч.-технич. конф. - Саратов: СГТУ, ООО «Буква», 2014. - Т. 1. - С. 328-333.
9. Светлов, М.С. Принципы обеспечения повышенной надежности дистанционного тестового контроля / Светлов М.С., Львов А.А., Кленов Д.В. // «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2016»: Мате-риалы XI Междунар. науч.-технич. конф. : в 2 т. Саратов: СГТУ, ООО «Амирант», 2016. -Т.2. - С. 403-408.
10. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений. - М.: ГИФМЛ, 1958, 336 с., ил.
11. Bickel P.J., Doksum K.A., Mathematical statistics, Holden-Day, Inc., San Francisco, 1977.
12. Хьюбер Дж.П. Робастность в статистике. - М.: Мир, 1984. - 304 с.
13. Большев Л.Н., Смирнов Н.Б. Таблицы математической статистики. - М.: Наука, 1983. - 416 с.
14. Колмогоров А.Н., Фомин О.В. Элементы теории функций и функционального анализа. - М.: Наука, 1972 - 496 с.
15. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Сов. радио, 1966.
528 с.
УДК 681.2:658.62.018.012
ДробБШИН1 М.Е. , Львов2 П.А., Львов1 А.А., Торопова1 О.А.
гФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
2ЭОКБ «Сигнал» им. А.И. Глухарева, Энгельс, Саратовская обл., Россия
КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ АВИОНИКИ: РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе экспериментально исследованы различные методы компенсации для снижения температурного дрейфа постоянного смещения и увеличения динамического диапазона пьезорезистивных датчиков давления. Показано, что применение метода полумостовой схемы обеспечивает такие преимущества как температурную компенсацию датчика (обычно погрешность составляет менее 1%>) и относительно низкую стоимость применяемых электрических цепей. Результаты экспериментов показывают, что выходное напряжение и смещение нуля выходного сигнала значительно улучшаются с применением метода компенсации полумостовой схемы. Однако в работе показано, что при работе пьезорезистивного датчика давления в широком диапазоне температур, еще лучшие результаты температурной компенсации можно достичь, используя методику калибровки, основанную на построении его модели с помощью полиномиального разложения по параметрам измеряемого давления и температуры окружающей среды.
Ключевые слова:
ПОЛУМОСТОВАЯ СХЕМА, ПЬЕЗОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ, РЕЖИМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ, ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДАТЧИКА
Введение
Микродатчики давления находят широкое применение в различных сферах человеческой деятельности [1]. Не является исключением и авиационная техника, где к датчикам давления, кроме традиционного требования высокой точности измерения, предъявляется дополнительное труднореализуемое на практике требование сохранения своих точностных характеристик в широком диапазоне температур от минус 60oC до + 140 °C [2-5].
Одним и наиболее широко используемых является пьезорезистивный датчик давления. При этом самым распространенным типом формирователя сигнала пьзорезистивных датчиков является мостовая схема, которая, несмотря на давнее изобретение, по-прежнему остается по сути стандартом в дат-чиковой индустрии, поскольку она позволяет достичь высокой чувствительности при относительной простоте используемой схемы [6].
Основной проблемой пьезорезистивных датчиков давления остается большая чувствительность к температуре, что приводит к снижению динамического диапазона измеряемого давления и возникновении постоянного смещения выходного сигнала
датчика [1, 7]. В работе [1] рассмотрены различные способы компенсации температурного эффекта пьезорезистивных датчиков давления: метод прямой параллельной компенсации, простой метод компенсации повторения напряжения, с использованием техники полумостовой компенсации первого порядка. Кроме того, в этой же работе предложен новый метод, основанный на полумостовой компенсации с использованием источников питания мостовой схемы постоянного напряжения и постоянного тока. В [7] дан теоретический анализ полумостового метода компенсации. В данной работе проведено экспериментальное исследование всех этих методов, результаты которых сравнивались с методом учета температурных погрешностей пьезорезистивных датчиков давления, предложенным в работах [8-10].
Метод полумостовой компенсации датчика давления и его устройство
Предлагаемая схема и вид пьезорезистивного датчика давления с полумостовым компенсатором на кристалле показаны на рис. 1.
Рисунок 1 - Схема пьезорезистивного датчика давления моста на основе моста Уитстона (слева) и его структура на кристалле (справа): АРУ - блок автоматической регулировки усиления
Два «фиктивных»резистора (Як1 и Як2), на которые не производится воздействие измеряемого напряжения, имеют те же электрические и термические характеристики, что и резисторы Ж, ..., Ял, на которые производится воздействие. Эти два резистора расположены рядом с резисторами, чувствительными к давлению, на расстоянии 150 мкм вне границ диафрагмы. Як1 и Як2, использующиеся для уменьшения автоматического усиления питания схем в случае повышения температуры, показаны в левой части рис. 1.
Поскольку все резисторы помещены на один и тот же кристалл в очень малой по площади области, они должны иметь аналогичные тепловые и механические характеристики. Температурный «уход» выходного напряжения моста из-за ее возможного изменения минимизируется с помощью контура автоматического усиления, чтобы автоматически регулировать уровень сигнала источника подаваемого напряжения. Коэффициент усиления контура непосредственно формируется с помощью блока АРУ-
1 и компенсирующего резистора Якг, обладающего почти таким же температурным коэффициентом, что и пьезорезисторы Яг, ..., Ял, и служит для компенсации первого порядка изменения выходного сигнала, вызванного изменением сопротивлений пьезорезисторов на ЛКГ . Коэффициент усиления
АРУ-2 ( 02 ) определяется компенсирующим сопротивлением Кк2, который применяется в схеме для компенсации второго порядка, используемой только для минимизации оставшихся суммарных ошибок, включая возможные ошибки рассогласования схемы.
Эти два контура АРУ могут быть легко структурированы с помощью специально подбираемого операционного усилителя и соответствующих резисторов. Согласно рис. 1, контур АРУ-1 является источником постоянного тока через Якг, Пусть ток в цепи, питающей мостовую схему, равен /0 . Предположим, что все сопротивления Якг, Як2, Кг, ..., Ял примерно одинаковы и равны К . Кроме того, предполагается, что изменение сопротивлений всех шести резисторов при воздействии внешней температуры и давления тоже одинаковые и равны ЛЯТ и ЛЯТ и соответственно. Пусть УС1 и Уа2 обозначают сигналы на выходе выход АРУ-1 и АРУ-2 соответственно. Тогда входное напряжение, подаваемое на датчик, может быть представлено как:
¥02 = ¥о! • 02 = 10 (К + ЛЯ-Т )• С2 . (1)
Воспользовавшись результатом работы [7], выходной сигнал датчика V можно записать в следующем виде:
М„ + ЛК
V = V,,-
вых G 2
-fLJnrL = 70 ( R + К )• 02 ^il^L
К + ДКГ
иг К + М7 ,(2)
= 10О2 (ЛКР + ЛКРТ)
что по форме совпадает с результатом, полученным в [7] в режиме питания схемы постоянным током, то есть имеет место первичная компенсация. Но в реальных условиях, результат будет немного отличаться от задаваемого выражением (2), где ЛЯРТ - отклонение ДЯР из-за изменения температуры. После описанной компенсации первого порядка оставшиеся ошибки, которые можно математически описать с помощью температурного коэффициента сопротивления с отрицательным знаком, в основном обусловлены эффектом гистерезиса пьезосопротив-ления и его нелинейностью. Обозначим их суммарное значение через Лс. Уравнение (2) можно переписать и представить в виде:
= 10о2К(1 -Л). (3)
Напротив, сопротивление Як2 изменяется с положительным знаком, но закон его изменения не совпадает с законом изменения Лс. После того, как протестированы две температурные точки в методе полумостовой компенсации первого порядка, можно измерить изменение выходного сигнала мостовой схемы и изменение сопротивления Як2; после чего несложно вычислить коэффициент усиления 02. Пусть О = 1 + • Тогда можно сделать значение Лс2 равным Лс и положить его равным некоторому
значению Д. Переписав уравнение (3), получим:
Кых = 1о(1 + Л)ЛКР (1 -Л) = 1оЛКр (1 -Л2 ) . (4)
Обычно потеря чувствительности для метода полумостовой компенсации первого порядка, которую требуется скомпенсировать, что было проверено экспериментально, составляет порядка ± 1,5%. Можно считать, что Л2 < 1. Блок АРУ-2 используется для минимизации оставшейся некомпенсированной ошибки. Переписав (4) в виде Увых »/0ЛЛР, получаем, что изменение выходного сигнала датчика, вызванное изменением температуры окружающей среды, практически полностью скомпенсировано, что и было подтверждено экспериментально. В режимах питания мостовой схемы постоянным напряжением постоянным током это обеспечивает
возможность более простой компенсации изменений температуры.
Описание экспериментов и анализ результатов
В работе [1] авторы исследовали три известных упоминавшихся выше метода компенсации для четырех значений температуры окружающей среды: 0°С; 25°С; 50°С; 75 °С и измеряемых давлений из диапазона от 0 до 7 КГс/см2. Исследовались датчики давления, выпускаемые ЭОКБ «Сигнал» (г. Энгельс, Саратовской обл.).
В состав экспериментальной установки входило следующее оборудование: 1). Печь температура которой задавалась с погрешностью ± 0,02 °С; 2). «Задатчик» давления, управляемый от персонального компьютера через блок DRUCK DPI-515, контролирующий задаваемое давление с точностью ± 0,01% от максимального задаваемого значения 7 КГс/см2; 3). Источник питания постоянного тока Agilent E3 633A; 4). Измерительный прибор фирмы National Instruments (США) VXIbus Consortium с мейнфреймом c-размера, с одним командным модулем (E1406A), одним цифровым мультиметром (E1412A, DMM) и двумя распределительными коробками (E84 60A).
Среда VEE-6.0 использовалась для программирования процедур тестирования и управления инструментами через соединения GPIB. Компьютер может автоматически получать все измеренные данные. Распределительные коробки служили для подключения исследуемого датчика к DMM, чтобы избежать наводок от внешних источников.
Типичные результаты экспериментов показаны на рис. 2 и 3, где даны средние изменения чувствительности и средние относительные изменения смещения выходного сигнала для четырех исследуемых температур соответственно. На рисунках представлены пять кривых, из которых только кривые «C.V.» (метод полумостовой компенсации с питанием схемы постоянным напряжением) и «C.I.» (метод полумостовой компенсации с питанием схемы постоянным током) получены авторами, а остальные три кривые «M-1» (метод прямой параллельной компенсации), «M-2» (простой метод компенсации повторения напряжения) и «M-3» (с использованием техники полумостовой компенсации первого порядка) взяты из работы [1], чтобы продемонстрировать эффективность предлагаемого метода.
Входное напряжение мостовой схемы при разных схемах включения было установлено в районе 5 В. Режим постоянного тока обеспечивает возможность более простой компенсации температуры, однако смещение выходного сигнала мостовой схемы выше, чем при питании постоянным напряжением. Из рисунков видно, что предлагаемый метод полумостовой компенсации дает лучший результат как по коррекции смещения выходного сигнала, так и по достигаемому уровню компенсации изменения чувствительности, вызванных изменением температуры окружающей среды. Из рис. 2 видно, что потеря чувствительности была компенсирована примерно на ±1,5% в диапазоне от 0 °С до 75 °С. Относительное изменения смещения выходного сигнала, было скомпенсировано примерно на ± 0,3% в том же диапазоне температур, что можно увидеть на рис. 3. Это происходит потому, что ошибки почти нейтрализуется с использованием адаптивных схем автоматической регулировки усиления АРУ-1 и АРУ-2.
Однако для использования в авиационной технике датчики давления должны быть пригодны для измерения в гораздо более широком диапазоне температур от минус 60°C до + 140 °C [2-5]. Поэтому представляет интерес сравнить предлагаемую методику полумостовой компенсации температурных колебаний с методикой калибровки датчика давления, описанной в работах [8-10], где зависимость выходного сигнала датчика от измеряемого давления и окружающей температуры u = u(P,T) ищется в виде полиномов от этих параметров, а коэффициенты полиномов оцениваются из экспериментальных данных.
Рисунок 2 - Средние изменения чувствительности у различных методик компенсации
Рисунок 3 - Средние отклонения смещения входного сигнала мостовой схемы у различных методик компенсации
На рис. 4 даны сравнительные кривые средних погрешностей измерения методов полумостовой компенсации и построения калибровочных полиномов в диапазоне температур, характерном для авиационной техники, где погрешность 8 = |ЛР/РмакС • 100 % указана в процентах от верхнего предела измере-
давления
диапазоне
1 КГс/см2
до
7 КГс/см2. Эталонное измеряемое давление задавалось с помощью «задатчика», описанного выше.
Рисунок 4 - Средние погрешности измерения пьезорезистивного датчика давления (♦ - метод полумостовой компенсации [1, 7]; А - метод калибровки давления путем идентификации коэффициентов полиномиального разложения выходного сигнала [8-10])
Как видно из рисунка, метод полумостовой компенсации существенно уступает по точности измерения методу калибровки датчика, описанному в работах [8-10], но он дает вполне удовлетворительные результаты в диапазоне температур от 0 °C до 75 °C. Выводы
Поскольку датчики давления наиболее широко используются для контроля параметров и управления процессами, главным приоритетом является повышение их точности, а также сокращение затрат на их производство .
Ключевым фактором в сокращении затрат на эти устройства является современные процессы разработки и изготовления. В работе описана новая методика полумостовой компенсации. Экспериментальные результаты показывают, что погрешность датчика минимизируется до среднего значения около ± 1,5% в промежутке температур от 0 °С до 75 °С с использованием техники методики полумостовой компенсации первого порядка. Поэтому метод полумостовой компенсации может быть применен на практике в конструкции датчика давления в приложениях, где не требуется высокая точность измерения. Основным его достоинством является относительная простота реализации.
Однако при использовании датчика в авиационных системах следует отдавать предпочтение известному методу калибровки датчика давления, описанному в работах [8-10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Peng, K.H. The Temperature Compensation of the Silicon Piezo-Resistive Pressure Sensor Using the Half-Bridge Technique / K.H. Peng, C.M. Uang // Proceed, of SPIE. - 2004. - Vol. 5343. - P. 292301.
2. Распределенная система датчиков для авионики, управляемая по беспроводному радиоканалу / А.А. Львов, П.А. Львов, М.С. Светлов, С.А. Кузин // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2017. - Т. 1. - С. 100-103.
3. Особенности применения микромеханических инерциальных датчиков при эксплуатации на летательных аппаратах вертолётного типа / Р.В. Ермаков, Д.В. Кондратов, А.А. Львов, Е.Н. Скрипаль // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2 т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза : ПГУ, 2017. - Т. 2. - С. 122-124.
4. Повышение точности емкостных датчиков давления для авиакосмической техники / С.А. Кузин, П.А. Львов, А.А. Львов, М.С. Светлов // Известия ЮФУ. Технические науки, № 3. - 2017. - С. 29-42.
5. Львов, А.А. Высокотемпературные датчики давления / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2-х т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза: ПГУ, 2014. - Т. 2. - С. 48 -50.
6. Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем: пер. с франц.: В 2 т. - М.: Мир, 1992. -Т. 1. - 480 с. - Т. 2. - 424 с.
7. Компенсация температурной погрешности пьезорезистивных датчиков давления с помощью полумостовой схемы: анализ метода / М.Е. Дробынин, П.А. Львов, А.А. Львов, О.А. Торопова // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2-х т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза: ПГУ, 2018. - В этом же томе.
8. Николаенко, А.Ю. Компенсация температурной погрешности интеллектуальных датчиков давления / А.Ю. Николаенко, А.А. Львов, П.А. Львов // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество»: в 2-х т. / под.ред. Н.К. Юркова. - Пенза: ПГУ, 2014. - Т. 2. - С. 57-59.
9. L'vov, A. Improvement of Piezoresistive Pressure Sensor Accuracy by Means of Current Loop Circuit Using Optimal Digital Signal Processing / A. L'vov, P. L'vov, R.Konovalov // Proceed, of the 2016 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conf., 2016, St. Petersburg, Russia. - P. 279-282.
10. The use of current loop circuit as a signal conditioner for high accuracy digital piezoresistive pressure sensors / A.A. L'vov, P.A. L'vov, R.S. Konovalov, S.A. Kuzin // X Int. Sci. and Tech. Conf. "Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines ". Proceed. Omsk: Omsk State Technical University, Omsk, Russia, 2016. IEEE Catalog Number: CFP16RAB-CDR.
