CN108534942A - 一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型及*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型及***包括以下步骤：步骤1：计算温度载荷电压补偿模型VT；步骤2：获取振动载荷对微压阻式传感器造成的压力P，根据P得到VP振动载荷电压补偿模型；步骤3：根据VT和VP得到真实电压值补偿模型，实现对微压阻式传感器的补偿；本发明与传统试验方法相比理论推导和有限元分析模型相结合的方式具有易操作、经济、准确性高等优点；既可以为传感器结构抗干扰设计提供参考，又可以为传感器误差干扰补偿提供依据，补偿模型及补偿***能够在线的对温度、振动载荷对测量结果造成的误差进行修正，具有很强的实用性。

Description

一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型及***
技术领域
本发明涉及一种微压阻式传感器补偿模型及***，具体涉及一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型及***。
背景技术
近年来，高速列车运行速度不断提高，气动噪声作用不断增加，影响乘客及周边居民的舒适性；已有研究表明，列车高速行驶下，脉动压力是引发列车噪声的根源，因此高速列车降噪需先探究脉动压力的机理与特征；然而高速列车表面脉动压力具有幅值小、频率范围宽、易受干扰等诸多特点，各种干扰信号混杂于脉动压力成分中；而且由于脉动压力幅值偏低，一般只有几十到上百帕，导致信号信噪比低，因此脉动压力信号的提取与分析具有很大的困难。
目前高速列车表面压力测试线路实验常用的是贴片形的微压阻式压力传感器，微压阻式传感器不仅灵敏度高、机械性能好，而且体积能够集成到很小，可以尽量减少传感器尺寸对车外流场的影响；但是微压阻式传感器测试过程中容易受到振动、温度等因素干扰，给测试信号造成误差；目前微压阻式压力传感器的误差机理分析与补偿模型都是一项重要的研究课题；由于单晶硅的温度效应，其压阻系数会随温度而改变，目前传感器误差干扰主要研究领域为温度方面；硅的温度效应将导致传感器的零漂以及灵敏度漂移，给信号测试带来较大干扰；温度干扰及机理补偿方面，目前主要通过温度效应试验研究传感器的温度干扰输出，通过将待测传感器放置在密闭试验箱内，通过调节箱内温度及气压变化，观察传感器在不同温度及气压等级下的灵敏度输出；然而基于大量试验数据建立多元回归分析或神经网络模型，对温度干扰进行消除的方法存在一定不足；首先对温度试验箱精度及控制性能要求较高，因为密闭容器内，温度与压力之间的动态变化以及两者之间的相互耦合影响，温度及压力测点难以同时达到期望值，需要多次迭代控制；其次，建立神经网络等模型需要大量的试验数据，对于不同的传感器需要重新进行温度试验，成本过高；并且，温度试验基本针对成品化的传感器，难以在设计阶段就通过试验了解传感器的温度性能，从而进行相应改进。
目前，振动干扰机理及补偿方面，由于一般传感器振动干扰较小，此方面相关研究较少；但是对于低幅值的脉动压力测试来说，一般需要超微压、高灵敏度的压阻式传感器，其振动干扰也随之增加，相对于脉动压力值得大小不可直接忽略。
发明内容
本发明提供一种易操作、成本低、准确性高的脉动压力测试微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型及***。
本发明采用的技术方案是：一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型，包括以下步骤：
步骤1：计算温度载荷电压补偿模型VT；
VT＝0.6771T-14.11
式中：T为温度；
步骤2：获取振动载荷对微压阻式传感器造成的压力P，根据P得到VP振动载荷电压补偿模型；
式中：Vs为供电电压，VP为由振动载荷造成的电桥输出电压。步骤3：根据VT和VP得到真实电压值，实现对微压阻式传感器的补偿模型；
V＝V0-VT-VP
式中：V为真实电压，V0为传感器输出电压。
进一步的，所述P获取方法如下：
建立微压阻式传感器模型-硅杯薄膜模型；
P＝hρa0
式中：h为薄膜厚度，a0为振动加速度，ρ为硅薄膜密度。
进一步的，所述根据P得到VP振动载荷补偿电压模型过程如下：
建立微压阻式传感器模型-硅杯薄膜模型；
硅杯薄膜为正方形膜片，膜片的挠度方程如下：
式中：w(x,y)为挠度方程，w0为薄膜中央挠度，x为薄膜横向坐标，y为薄膜纵向坐标，a为薄膜长度，E为杨氏弹性模量，P为振动载荷对微压阻式传感器造成的压力，h为薄膜厚度，δi为初始张力，v为泊松比，g1(v)、g2(v)为无量纲函数由物理模型确定通过泊松比v可求得；
P＝hρa0 (2)
式中：ρ为硅薄膜密度，a0为振动加速度；
硅杯薄膜在x方向上的应力σxx和硅杯薄膜在y方向上的应力σyy为：
式中：z为薄膜厚度方向坐标；
式中：R为电阻，πl为横向压阻系数，πt为纵向压阻系数；
由式(1)可得：
由(2)、(3)、(6)可得硅杯薄膜在x方向上的应力σxx为：
由(2)、(4)、(7)可得硅杯薄膜在y方向上的应力σyy为：
由式(1)中第二个公式可求得w0，将w0带入式(8)和(9)即可求得σxx和σyy；
将(8)和(9)带入(5)即可得到振动载荷对电阻的影响，如下式：
式中：L为电阻条长度；
电阻阻值发生变化后，通过惠斯通电桥转化为电压输出：
由于R1R3＝R2R4，ΔR1＝ΔR3，ΔR2＝ΔR4，电压输出为：
由式(10)可求得电桥电阻的变化ΔR1和ΔR2，将其带入下式即可求得由振动载荷造成的电桥输出电压VP；
式中：Vs为供电电压，VP为由振动载荷造成的电桥输出电压。
进一步的，所述步骤1中温度载荷补偿电压VT计算模型通过有限元温度模拟得到。
进一步的，所述步骤1中温度载荷补偿电压VT计算模型，通过结构-电联合有限元模拟方法得到，具体过程如下：
S1：在模型上应力集中区域划分实际尺寸的电阻，并分别赋予各向异性的材料属性；
S2：设置导线单元将电阻耦合成惠斯通电桥；
S3：通过耦合自由度的方法设置惠斯通电桥桥压、耦合导线和电阻截面电流；
S4：通过步骤S1-S3将输入信号转化为电压输出。
一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿***，包括相互连接的传感器模块、信号采集与处理模块、微处理器和上位机；
传感器模块用于实时采集微压阻式传感器的振动加速度和温度；
信号采集与处理模块用于将传感器模块采集到的数据进行处理；
微处理器根据信号采集与处理模块得到的数据计算消除振动载荷和温度载荷影响的输出值；
上位机用于将微处理器输出的数据进行采集，实现微压阻式传感器振动与温度干扰的补偿。
进一步的，所述传感器模块包括用于测量高速列车振动加速度的加速度传感器、用于实时采集温度的温度传感器和测量电路。
进一步的，所述信号采集与处理模块包括依次连接的多路开关、采样保持器和A/D转换器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明与传统试验方法相比理论推导和有限元分析模型相结合的方式具有易操作、经济、准确性高等优点；
(2)本发明方法既可以为传感器结构抗干扰设计提供参考，又可以为传感器测量时受到的温度振动干扰进行修正。
附图说明
图1为本发明微压阻式压力传感器核心敏感元件模型仰视图。
图2为本发明微压阻式压力传感器核心敏感元件模型斜视图。
图3为本发明实施例中微压阻式压力传感器核心敏感元件硅杯薄膜结构在0℃时位移分布云图。
图4为本发明实施例中微压阻式压力传感器核心敏感元件硅杯薄膜结构在50℃时位移分布云图。
图5为本发明微压阻式传感器振动与温度干扰补偿***结构示意图。
图6为惠斯通电桥结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本文中提到的微压阻式传感器即为微压阻式压力传感器，其核心敏感元件是一硅杯薄膜结构，承受气压作用时薄膜内产生应力，在应力集中区域掺杂离子集成电阻；通过压阻效应将压力转化为电阻变化，再通过惠斯通电桥将电阻变化转化为电压输出。
本发明利用理论推导和有限元模拟方法分析微压阻式压力传感器的振动和温度干扰，通过有限元方针提出了温度载荷补偿模型，通过理论推导和计算仿真的结果提出了振动载荷补偿模型；从而建立振动和温度载荷的在线补偿***。
一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型，包括以下步骤：
步骤1：计算温度载荷电压补偿模型VT；
VT＝0.6771T-14.11
式中：T为温度；
步骤2：获取振动载荷对微压阻式传感器造成的压力P，根据P得到VP振动载荷电压补偿模型；
式中：R为电阻，πl为横向压阻系数，πt为纵向压阻系数；步骤3：根据VT和VP得到真实电压值，实现对微压阻式传感器的补偿；
V＝V0-VT-VP
式中：V为真实电压，V0为传感器输出电压。
进一步的，所述P获取方法如下：
建立微压阻式传感器模型-硅杯薄膜模型；
P＝hρa0
式中：h为薄膜厚度，a0为振动加速度，ρ为硅薄膜密度。
进一步的，所述根据P得到VP振动载荷补偿电压过程如下：
建立微压阻式传感器模型-硅杯薄膜模型；
硅杯薄膜为正方形膜片，膜片的扰度方程如下：
式中：w(x,y)为挠度方程，w0为薄膜中央挠度，x为薄膜横向坐标，y为薄膜纵向坐标，a为薄膜长度，E为杨氏弹性模量，P为振动载荷对微压阻式传感器造成的压力，h为薄膜厚度，δi为初始张力，v为泊松比，g1(v)、g2(v)为无量纲函数由物理模型确定通过泊松比v可求得
P＝hρa0 (2)
式中：ρ为硅薄膜密度，a0为振动加速度；
硅杯薄膜在x方向上的应力σxx和硅杯薄膜在y方向上的应力σyy为：
式中：z为薄膜厚度方向坐标；
式中：R为电阻，πl为横向压阻系数，πt为纵向压阻系数；
由式(1)可得：
由(2)、(3)、(6)可得硅杯薄膜在x方向上的应力σxx为：
由(2)、(4)、(7)可得硅杯薄膜在y方向上的应力σyy为：
由式(1)中第二个公式可求得w0，将w0带入式(8)和(9)即可求得σxx和σyy；将(8)和(9)带入(5)即可得到振动载荷对电阻的影响，如下式：
式中：L为电阻条长度；
电阻阻值发生变化后，通过惠斯通电桥转化为电压输出：
由于R1R3＝R2R4，ΔR1＝ΔR3，ΔR2＝ΔR4，电压输出为：
由式(10)可求得电桥电阻的变化ΔR1和ΔR2，将其带入下式即可求得由振动载荷造成的电桥输出电压VP；
式中：Vs为供电电压，VP为由振动载荷造成的电桥输出电压。
进一步的，所述步骤1中温度载荷电压补偿模型VT计算公式通过有限元温度模拟得到。
进一步的，所述步骤1中温度载荷电压补偿模型VT计算公式，通过结构-电联合有限元模拟方法得到，具体过程如下：
S1：在模型上应力集中区域划分实际尺寸的电阻，并分别赋予各向异性的材料属性；
S2：设置导线单元将电阻耦合成惠斯通电桥；
S3：通过耦合自由度的方法设置惠斯通电桥桥压、耦合导线和电阻截面电流；
S4：通过步骤S1-S3将输入信号转化为电压输出。
一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿***，包括相互连接的传感器模块、信号采集与处理模块、微处理器和上位机；
传感器模块用于实时采集微压阻式传感器的振动加速度和温度；
信号采集与处理模块用于将传感器模块采集到的数据进行处理；
微处理器根据信号采集与处理模块得到的数据计算消除振动载荷和温度载荷影响的输出值；
上位机用于将微处理器输出的数据进行采集，实现微压阻式传感器振动与温度干扰的补偿。
进一步的，所述传感器模块包括用于测量高速列车振动加速度的加速度传感器、用于实时采集温度的温度传感器和测量电路。
进一步的，所述信号采集与处理模块包括依次连接的多路开关、采样保持器和A/D转换器。
温度对传感器结构影响包括两个方面，温度零点漂移及温度灵敏度漂移；温度零点漂移主要原因是由于硅杯薄膜模型热膨胀导致薄膜产生热应力；热灵敏度漂移是由于硅的压阻效应随温度而变化，以及薄膜受压变形与温度变形的耦合关系所引起的；本发明采用结构-电联合有限元温度模拟方法进行温度的有限元模拟分析；通过在应力集中区域划分出实际电阻，并设置各向异性的材料属性，同样方式施加约束及载荷；薄膜上的应力会直接通过设置的压阻系数等属性直接转化为电阻变化；再根据所设置的耦合电桥电压转化为电压输出；具体过程如下：在模型上划分实际尺寸的电阻，赋予不同的材料属性，设置导线单元将电阻耦合成一惠斯通电桥，并通过耦合自由度方式设置惠斯通桥压，以及耦合导线及电阻截面的电流；惠斯通电桥结果如图6所示，这种方法即可将气压载荷直接转化为电压输出。
采用结构-电联合有限元模拟，首先设置各材料的热膨胀系数等温度属性，一般硅杯薄膜结构封装在基底上，根据硅杯材料及基底材料热膨胀系数的不同设置约束条件，设定常温为热膨胀零点，对各网格节点施加期望温度载荷值，从而得到各温度级下平膜热形变及电压输出；表1即为本实施例中某一具体微压阻式压力传感器在仿真过程中无压力载荷时不同温度下电压输出数据；
表1.微压阻式压力传感器无压力载荷时不同温度下电压输出
温度(℃) -10 0 10 20 22 30 40 50
电压(mV) -19.15 -14.68 -7.87 -1.37 0 5.7 13.12 21.04
根据上述方法进行仿真，得到温度载荷补偿模型表达式，通过温度载荷补偿模型表达式计算温度载荷补偿电压VT。
当传感器贴在高速列车外表面进行压力测试时，车体会由轨道不平顺及气动载荷作用从而产生各个方向上的振动并传递到传感器，振动传递到薄膜上时由于惯性力作用使薄膜产生内应力，从而干扰电压输出。
以平膜加速度为例，其尺寸为3mm×3mm×26μm，密度为2330kg/m3，以1g为例计算其所受惯性力大小为F＝ma＝5.343×10-6N；薄膜表面积s＝9×10-6m2，则薄膜上等效压力为平膜结构质量分布平均，因而可以通过质量与面积关系直接转化为等效压力，得到振动载荷补偿模型表达式；其具体推导过程如上所述。
根据本发明所述的补偿方法构建振动、温度载荷在线补偿***，其包括相互连接的传感器模块、信号采集与处理模块、微处理器和上位机；振动、温度载荷的补偿无法直接通过微压阻式压力传感器测得的信号求得；需要借助振动传感器得到的振动载荷，温度传感器测得温度并通过仿真计算得到温度漂移，同时构件相应的数据库，从而构件该补偿模型的在线实现***；传感器模块包括加速度传感器、温度传感器和测量电路，主要是为了得到准确有效的***加速度信号和温度信号；通过实时测量得到的***实时的振动和温度情况；由于不同温度下的温度载荷和相应的弹性模量等的计算参数值不同，通过建立数据库将相应的计算常量进行存储；通过测得的微压阻式传感器、振动传感器和温度传感器的值，通过微处理器里存储的相应计算常量和模型计算来实现在线补偿。
本发明所述补偿***，通过传感器实时测量高速列车微压阻式传感器附近的振动加速度和温度，通过信号采集与处理模块得到有用的数字信号；微处理器通过补偿模型计算得出最后结果，上位机采集计算后的值；将采集到的微压阻式传感器的输出值，振动加速度的值和温度传给微处理器；微处理器调用相关的物理参数和模型求得消除振动载荷和温度载荷影响的输出值；振动、温度载荷补偿***计算简单、实用性强、效果明显，能够很好的消除振动载荷和温度载荷对脉动压力测试结果的影响。
加速度传感器和温度传感器及测量电路构成了传感器模块，加速度传感器用于测量高速列车振动加速度、温度传感器测量温度，可以进行实时采集；测量电路是进行传感器测量不可或缺的环节，可把微小的振动变量转化为电压或电流信号，获得较高的精度；信号采集与处理模块相连，包括多路开关、采样保持器和A/D转换器；多路开关是数据选择器的别称，在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来；采样保持器是一种开关电路或装置，它在固定时间点上取出被处理信号的值；采样保持器则把这个信号值放大后存储起来，保持一段时间，以供A/D转换器转换，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来替代原来的值；在模数转换器工作期间采样保持器一直保持着转换开始时的输入值，因而能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，降低模数转换器的孔径时间，提高A/D转换器的精确度和消除转换时间的不准确性；采样保持器在满足采样定理的基础上对模拟信号进行采样，通过A/D转换器的转化把采样得到的模拟信号转化为上位机能够识别的有用数字信号；微处理器是整个补偿***的核心部分，主要进行算法的实现，消除振动载荷和温度载荷对脉动压力测试的影响；上位机对微处理器输出的数据进行采集。
当高速列车在高速环境下处于工作状态时，由于受轨道不平顺等的影响必定会产生加速度，从而影响微压阻式压力传感器对脉动压力的测试；通过传感器实时地测量***的振动加速度，将得到的振动加速度和速度信号输入嵌入式控制模块中；上位机实现算法得到消除干扰后的脉动压力输出值；当***所工作的环境发生变化，例如速度变化、道路质量变化等等，加速度传感器将测量当前的振动加速度信号和温度信号，微处理器调用数据库中相应的参数，求得最佳输出值；从而得到高速列车在不同工况下运行***都能完成其补偿工作。
本发明加速度传感器采集的加速度信号和微压阻式传感器采集的压力信号保持同步，通过加速度信号计算相应的振动载荷能够消除其对脉动压力测试的干扰；有限元温度干扰分析能准确方便得到传感器在不同温度下其漂移的大小；从而消除温度对脉动压力测试的干扰，减少传感器设计开发周期；通过理论推导和计算仿真得到压力载荷、振动载荷、温度载荷共同作用下微压阻式传感器的输出，并构建数据库对不同温度和振动情况下的输出进行修正。

Claims (8)

1.一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：计算温度载荷电压补偿模型VT；
VT＝0.6771T-14.11
式中：T为温度；
步骤2：获取振动载荷对微压阻式传感器造成的压力P，根据P得到VP振动载荷电压补偿模型；
式中：Vs为供电电压，VP为由振动载荷造成的电桥输出电压。
步骤3：根据VT和VP得到真实电压值，实现对微压阻式传感器的补偿；
V＝V0-VT-VP
式中：V为真实电压，V0为传感器输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型，其特征在于，所述P获取方法如下：
建立微压阻式传感器模型-硅杯薄膜模型；
P＝hρa0
式中：h为薄膜厚度，a0为振动加速度，ρ为硅薄膜密度。
3.根据权利要求1所述的一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型，其特征在于，所述根据P得到VP振动载荷补偿电压过程如下：
建立微压阻式传感器模型-硅杯薄膜模型；
硅杯薄膜为正方形膜片，膜片的扰度方程如下：
式中：w(x,y)为扰度方程，w0为薄膜中心挠度，x为薄膜横向坐标，y为薄膜纵向坐标，a为薄膜长度，E为杨氏弹性模量，P为振动载荷对微压阻式传感器造成的压力，h为薄膜厚度，δi为初始张力，v为泊松比，g1(v)，g2(v)为无量纲函数；
P＝hρa0 (2)
式中：ρ为硅薄膜密度，a0为振动加速度；
硅杯薄膜在x方向上的应力σxx和硅杯薄膜在y方向上的应力σyy为：
式中：z为薄膜厚度方向坐标；
式中：R为电阻，πl为横向压阻系数，πt为纵向压阻系数；
由式(1)可得：
由(2)、(3)、(6)可得硅杯薄膜在x方向上的应力σxx为：
由(2)、(4)、(7)可得硅杯薄膜在y方向上的应力σyy为：
由式(1)中第二个公式可求得w0，将w0带入式(8)和(9)即可求得σxx和σyy；
将(8)和(9)带入(5)即可得到振动载荷对电阻的影响，如下式：
式中：L为电阻条长度；
电阻阻值发生变化后，通过惠斯通电桥转化为电压输出：
由于R1R3＝R2R4，ΔR1＝ΔR3，ΔR2＝ΔR4，电压输出为：
由式(10)可求得电桥电阻的变化ΔR1和ΔR2，将其带入下式即可求得由振动载荷造成的电桥输出电压VP；
式中：Vs为供电电压，VP为由振动载荷造成的电桥输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型，其特征在于，所述步骤1中温度载荷电压补偿模型VT计算公式通过有限元温度模拟得到。
5.根据权利要求1所述的一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿模型，其特征在于，所述步骤1中温度载荷电压补偿模型VT计算公式，通过结构-电联合有限元模拟方法得到，具体过程如下：
S1：在模型上应力集中区域划分实际尺寸的电阻，并分别赋予各向异性的材料属性；
S2：设置导线单元将电阻耦合成惠斯通电桥；
S3：通过耦合自由度的方法设置惠斯通电桥桥压、耦合导线和电阻截面电流；
S4：通过步骤S1-S3将输入信号转化为电压输出。
6.如权利要求1所述的一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿***，其特征在于，包括相互连接的传感器模块、信号采集与处理模块、微处理器和上位机；
传感器模块用于实时采集微压阻式传感器的振动加速度和温度；
信号采集与处理模块用于将传感器模块采集到的数据进行处理；
微处理器根据信号采集与处理模块得到的数据计算消除振动载荷和温度载荷影响的输出值；
上位机用于将微处理器输出的数据进行采集，实现微压阻式传感器振动与温度干扰的补偿。
7.根据权利要求6所述的一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿***，其特征在于，所述传感器模块包括用于测量高速列车振动加速度的加速度传感器、用于实时采集温度的温度传感器和测量电路。
8.根据权利要求6所述的一种微压阻式传感器振动与温度干扰补偿***，其特征在于，所述信号采集与处理模块包括依次连接的多路开关、采样保持器和A/D转换器。
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