【技術(shù)貼】如何對(duì)壓力傳感器進(jìn)行高精度校準(zhǔn)？

       壓力傳感器是現(xiàn)實(shí)生活中更為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制，汽車電子，醫(yī)療設(shè)備，本文主要針對(duì)應(yīng)變電阻惠斯通電橋式傳感器的生產(chǎn)標(biāo)定做出簡(jiǎn)要說(shuō)明，僅供壓力傳感器工程人員參考。
傳感器特性

圖1為直流電橋，當(dāng)前輸出電阻無(wú)限大時(shí)，則前橋的輸出可簡(jiǎn)化如下：


圖2（左）為xxx型壓力傳感器輸出特性曲線。分別為在-40°，0°，25°以及85°溫度環(huán)境中測(cè)試電橋在不同壓力下輸出。實(shí)際應(yīng)用中我們往往期望傳感器輸出與溫度無(wú)關(guān)且線性，如圖2（右）。受限于MEMS設(shè)計(jì)制作工藝、材料物理特性等，MEMS傳感器本身很難達(dá)到理想要求，實(shí)際應(yīng)用中往往需在MEMS后端加入信號(hào)調(diào)理芯片對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。

由圖2可看出傳感器輸出不理想因素主要有：零點(diǎn)漂移（offset），靈敏度（Sensitivity），以及其非線性（Nonlinearity）。其中零點(diǎn)漂移（offset）和靈敏度（Sensitivity）均受溫度影響，即體現(xiàn)為溫度系數(shù)。可分別由如下公式表示：
 
公式1為理想傳感器輸出特性，而實(shí)際傳感器特性則需借助于公式2，3，4分別對(duì)非線性（Nonlinearity），零點(diǎn)漂移（offset），靈敏度漂移（Sensitivity）進(jìn)行描述。
 
Vout: 引入溫漂、非線性后的傳感器輸出
V0：非線性擬合多項(xiàng)式展開基準(zhǔn)點(diǎn)
kn：n階非線性系數(shù)
Tstand：多項(xiàng)式擬合溫度基準(zhǔn)點(diǎn)
tcn：零點(diǎn)漂移（offset）n階溫度系數(shù)
tsn：靈敏度（Sensitivity）n階溫度系數(shù)
信號(hào)調(diào)理芯片介紹
傳感器信號(hào)調(diào)理芯片通常可以提供對(duì)前端傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)墓δ埽瑥亩沟脗鞲衅髌骷哂蟹€(wěn)定可靠進(jìn)行工作，并且使得器件之間具有良好的一致性。除使用集成式的信號(hào)調(diào)理芯片外，傳統(tǒng)方案也可以使用外圍分立電路來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)與標(biāo)定，但效率低下，且效果依賴于人工與經(jīng)驗(yàn)，不適于規(guī)模生產(chǎn)。而通過(guò)信號(hào)調(diào)理芯片的使用，能夠免除手工校準(zhǔn)的繁雜工作，并且提高傳感器器件的可靠性。常見(jiàn)的橋式信號(hào)調(diào)理芯片型號(hào)包括德國(guó)ZMDI公司的ZSC31010，美國(guó)美信公司的MAX1452，以及蘇州納芯微電子公司的NSA2300。接下來(lái)本文將以NSA2300為例介紹信號(hào)調(diào)理芯片對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)的相關(guān)說(shuō)明。NSA2300為一款專為橋式傳感器提供的高集成、低功耗、高精度的傳感器信號(hào)采集、放大和校準(zhǔn)的傳感器接口芯片，可以用于壓力傳感器調(diào)理，磁傳感器調(diào)理，各類應(yīng)變式傳感器接口等。NSA2300可為傳感器提供零點(diǎn)偏移及其溫度補(bǔ)償，靈敏度及其溫度補(bǔ)償以及非線性補(bǔ)償，不需要其他額外的外部器件支持。NSA2300還提供多種溫度測(cè)量模式，同時(shí)支持I2C/SPI數(shù)字輸出和模擬輸出，并可通過(guò)復(fù)用模擬輸出引腳（AOUT）進(jìn)行單線數(shù)字通訊（OWI）。
主要性能指標(biāo)：
1、超寬的工作電壓范圍：1.8V ~ 5.5V
2、超寬的工作溫度范圍: -40 ℃~ 125 ℃
3、同時(shí)支持24位ADC數(shù)字輸出和12位DAC模擬輸出
4、優(yōu)良的噪聲性能：600nV@OSR=1024X, Gain=32X （等效到輸入噪聲）
5、校準(zhǔn)精度：0.05%FSO （同時(shí)支持二階溫度系數(shù)、三階非線性校準(zhǔn)）
6、超快轉(zhuǎn)換時(shí)間：2ms@OSR=1024X
7、支持休眠工作模式，大幅減輕MCU負(fù)擔(dān)
8、1X-128X可變?cè)鲆娴牡驮肼暦糯笃?br /> 9、支持傳感器診斷及輸出箝位功能
10、高精度內(nèi)部溫度傳感器 （精度<0.5℃，分辨率<0.01 ℃ ）
11、支持多種外部溫度傳感器 （二極管，二端、三端熱敏電阻等）
12、支持I2C/SPI串行通信接口
13、支持單線編程（復(fù)用模擬輸出引腳）

NSA2300校準(zhǔn)原理：

NSA2300可分別對(duì)零點(diǎn)漂移（offset），靈敏度（Sensitivity）校準(zhǔn)至二階溫度系數(shù)，以及三階非線性系數(shù)。