热电耦加速度传感器的温度补偿简 介MEMSIC 热电耦加速度传感器体积极小，内部集成了混合信号处理电路。

传感器基于热对流原理工作，由于没有移动部件，它的工作性能可靠。

同所有其他的热电耦加速度传感器一样，MEMSIC 器件的灵敏度和零点漂移将随着器件工作环境的温度的变化而发生变化。

但是，这个变化是有规律的。

器件的灵敏度随着温度的升高而减小，零点漂移随着温度的变化升高或者减小。

因为这些变化都是有固定规律可寻的，所以用户可以通过很多的方法来对这些由温度引起的偏差进行补偿。

在这个资料中，很多补偿方法都会介绍。

比如，用热敏电阻的模拟电路补偿法、用内置温度传感器和微控制器的数字补偿法。

在最后，对各种补偿方法进行了比较。

温度对灵敏度的影响每一个系列的热电耦加速度传感器的灵敏度具有相同的温度变化特性。

温度传导的物理规律决定了灵敏度的特性，制造上的差异对它没有影响。

不同的两个器件之间灵敏度随温度变化的特性都是相同的。

灵敏度变化的规律可以由以下方程来描述(比如MXA2500AL ，参考图1)：67.267.2ff ii T S T S ⋅=⋅图 1 热电耦加速度传感器的灵敏度/温度曲线其中 S i 是在任何初始温度Ti （如25°C 时）时的灵敏度而 S f 是在任何最终温度 T f 时的灵敏度。

温度单位为绝对温度°K 。

通过方程可知，在-40o C 时器件的灵敏度是25 o C 时的两倍，而85 o C 时又是25 o C 时的一半。

不同系列器件方程里面T 的指数会有些差异，比如极低噪声系列器件的指数是2.90而不是2.67。

对于那些可以接收灵敏度有百分之几变化的应用领域，上述的公式可以用一个线性函数来近似。

用这种近似的方法（通过一个有–0.9%/°C 增益的外部电路）可以将灵敏度的变化限制在5% 以内（以室温时的灵敏度为基准；温度从0°C 变化到+50°C ）。

对于性能要求比较高的应用，可以用一个低价位的MCU 来完成以上公式的计算。

需要参考方案（采用Microchip 16F873/04-SO MCU）的客户可以与MEMSIC联系。

采用这一参考方案，在满量程温度范围内，灵敏度的变化将被限制在1%以内。

请浏览MEMSIC网站 ，您可以获得与之相关的详细资料。

温度对零点漂移的影响同所有其他的加速度测量技术一样，每个MEMSIC 器件都有一个特定的零点温漂特性。

每个应用方案可接受的零点温漂值各不相同。

标准的MEMSIC 器件的温漂系数是±2mg/o C ，新型的低噪声器件温漂系数小于±1mg/o C 。

器件的零漂大小和极性符合统计规律，可以用如下方程进行描述：Z=a+b .T+c .T 2其中，Z 是在任何温度T 下的零点漂移，a 、b 、c 是每个加速度传感器的特性参数。

图2 典型零点漂移/温度变化曲线在很多应用方案中需要器件有一个可以接受性能，一种线性近似的方法可以帮你达到这个要求(也就是仅仅使用参数a 和b)。

这种逼近法只需要测量两个温度下的零点漂移，零点漂移的温度补偿就被简化了。

每个应用方案都需要在性能和价格之间找到一个折中点。

在一些设计中间，要花费额外的费来找到低价格加速度传感器的变化参数，这样还是可以找到有效的解决方法。

用热敏电阻补偿灵敏度的方法一种可行的方法是在输入电路中间加入利用外置的温度传感器或者热敏电阻实现的放大电路。

图3 受控热电耦反馈电路热敏电阻很容易实现正或者负的温度补偿系数(PTC 和NTC)。

NTC 热敏电阻的通常要比PTC 的便宜。

象图3中那样使用NTC 热敏电阻，简单、廉价的电路可以用来进行灵敏度补偿。

NTC 热敏电阻非线性特性同加速度传感器灵敏度非线性特性稍有不同。

电阻R1、R2调节输入电路的阻值使它接近加速度传感器灵敏度的特性。

为了得到最优的补偿，不同的NTF 需要合适的输入电路。

用分立器件很难得到最优电路。

我们可以用程序模拟的方法实时监测在不同温度下电路的特性，从而找出最优的输入电路。

结果我们可以用这种简单的方法得到成本和性能的最优化。

在很多应用中，10％的误差是可以接受的。

注意，这里的误差是占指读数的百分比，而不是占量程的百分比。

比如，在一个应用中用了量程为±2g 器件，在输入为100mg 时，10％的灵敏度变化使它变为110mg。

10mg 的变化仅仅是量程的0.25％。

热敏电阻对灵敏度进行温度补偿电路简单、成本低。

图4 使用不同热敏电阻补偿的比较温度引起的零点漂移变化同其他加速度传感器技术一样，MEMSIC 加速度传感器零点漂移具有随温度变化的特性。

在不同的应用领域中，对漂移的要求是不同的。

标准的MEMSIC 器件的变化量为±2mg/o C，最新的极低噪声系列只有±1mg/oC。

对于高精度的应用项目，当零点漂移的误差不能满足要求的时候，用户必须根据每个器件的不同特性来对其进行补偿。

因为每个器件的零点温漂特性的差异，所以我们要风别测定每个器件的特性。

为了补偿加速度，我们把一个同温度变化相反的量加入到了加速度输出中。

图 5 介绍了一种用模拟电路进行线性补偿的方法。

在这个电路中，加速度传感器的温度输出被加或被减，补偿了加速度输出信号中。

校正的步骤是：在室温下将100K 电位器调至Vref 端。

然后将加速度传感器放置在预设的极端温度中，观察其零点偏置电压的走向。

再将开关拨至放大器的反向输入端。

最后，调节100K 电位器使得放大器输出端的零点偏置与室温时相同。

图5 零点温漂补偿电路各种数字补偿方法一种很有效的方法是使用微控制器(MCU)来进行灵敏度和零点漂移的温度补偿。

如今，具有分辨率在8～12位的A/D 转换功能和充足程序存储空间的8位MCU 和便宜。

此外，它还具有集成的内部晶体振荡器、可编程的程序空间(flash)。

各种数字补偿的方块原理图见图6。

对于模拟信号输出的加速度传感器，如果加速度信号很小的话，需要对其进行放大。

温度输出信号可以直接使用，不需要进行放大。

图6 各种数字补偿的方块原理图加速度传感器在室温下的输出信号量程要事先设定，这样，在低温下a/d 转换就不会超出量程了。

例如，在-40o C 时，a/d 转换的量程大约是室温下的2.5倍。

一旦加速度和温度信号数字化以后，用MCU 进行灵敏度的矫正也就变得很简单了。

从下面的方程我们可已看出这一点：67.267.2if fi T T S S =所以MCU 进行灵敏度补偿的时候，数字化的AOUT 的值被乘上了一个和温度有关的补偿系数，或者：A OUT 补偿＝A OUT *(TOUT 2.67/TOUT 25oC 2.67)但是，8位MCU 用上述方程进行补偿的时候会耗去大量的内存和cpu 时间，使得数据传输和其他任务没有足够的资源。

一个节省MCU 资源的方法是使用查询表，另一个方法是把上面的方程简化只有加和乘。

其中的一种逼近法如下：A OUT 补偿＝A OUT *(d+e*TOUT+f*TOUT*TOUT)其中d 、e 、f 是由a/d 转换分辨率、a/d 转换参考电压和温度传感器量程决定的系数。

这些系数可以通过曲线拟合，通过查表程序得到。

一种方法是把灵敏度/温度变化参数的倒数制成表，再用软件进行曲线拟合。

另一种方法使用8位mcu 和上述方程进行补偿需要通过浮点运算得到最佳的补偿。

系数d 、e 、f 将变得很大，用16位的整型运算运行上述方程将会溢出。

绝大部分mcu 都提供足够的浮点运算能力。

在那些温度变化不是很大的应用中，上述方程可以进一步简化，舍去最后一项(f=0)。

这将导致灵敏度误差的增大，但会简化方程从而节省mcu 的内存消耗(mcu 的成本)。

表1列出了使用不同的a/d 转换器件进行灵敏度数字补偿的例子。

在表1计算中，温度传感器的输出电压为1V(25o C),温度变化系数为5mV/o C 。

所有的零点漂移数字补偿可以用下面的方程来描述：A OUT 补偿＝A OUT -(a+b*TOUT+c*TOUT*TOUT)其中a 、b 、c 是加速度传感器的特性参数。

为了确定他们的值，将加速度传感器置于三个均匀递增的温度环境下（在所应用的温度范围内）。

测得三组数据AOUT0、TOUT0、AOUT1、TOUT1、AOUT2、TOUT2，将其代入二次差值方程（或拉格朗日方程）中求得a 、b 、c ，方程如下：r0 = AOUT0 / ( (TOUT0-TOUT1)*(TOUT0-TOUT2) ) r1 = AOUT1 / ( (TOUT1-TOUT0)*(TOUT1-TOUT2) ) r2 = AOUT2 / ( (TOUT2-TOUT0)*(TOUT2-TOUT1) )a =r0 *TOUT1 * TOUT2 + r1 * TOUT0 * TOUT2 + r2 * TOUT0 * TOUT1b = -r0* (TOUT1+TOUT2)–r1*(TOUT0+TOUT2)–r2*(TOUT0+TOUT1)c = r0 + r1 + r2a/d resolutiona/d voltage referenceApplication Temperature mcu math libraryrequiredd constante constantfconstantSensitivity errorafterrangep.12 bits 2.5 V -40°C to +85°C Floating point 2.0933·10-1 -1.3843·10-4 1.4889·10-6 0.3% 12 bits 5.0 V -40°C to +85°C Floating point 1.8816·10-1 -2.2827·10-4 3.7898·10-70.4%8 bits 5.0 V 0°C to +70°C Fixed point -9.2673·10-1 3.7753·10-20 1.9%8 bits2.5 V0°C to +70°CFixed point-9.0149·10-11.8691·10-20 2.8%表1 各种灵敏度数字补偿举例上述这种方法也可以用来进行自动、精确和简单零点温漂补。

比如，用PC 来控制器件的温度、与mcu 通讯、计算参数。

在算出特征参数后，PC 把它们传给mcu 的存储器。

一些mcu 具有eeprom （电可擦除可编程存储器），因此可以方便地进行补偿数据的存储。

在那些对零点温漂要求不高或者应用环境温度变化范围很小的应用领域，上述补偿方法可以简化成只需要测量两个温度下的零点漂移值。