© ©MEMSIC, Inc. 09/29/2003 Page 1 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 #AN-00MX-002-CN 热电耦加速度传感器的温度补偿 热电耦加速度传感器的温度补偿 简简 介介 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. 2ffiiTSTS⋅=⋅ 图 1 热电耦加速度传感器的灵敏度/温度曲线 其中 Si 是在任何初始温度 Ti（如 25°C 时）时的灵敏 度而 Sf 是在任何最终温度 Tf 时的灵敏度温度单位 为绝对温度°K通过方程可知，在-40oC 时器件的灵敏 度是 25 oC 时的两倍，而 85 oC 时又是 25 oC 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/oC，新型的低噪声器件温漂系数小于 ±1mg/oC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.T2 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© ©MEMSIC, Inc. 09/29/2003 Page 2 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 #AN-00MX-002-CN 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 110mg10mg 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 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/oC， 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 © ©MEMSIC, Inc. 09/29/2003 Page 3 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 #AN-00MX-002-CN 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 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-40oC 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 fiTTSS = 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： AOUT补偿＝AOUT*(TOUT2.67/TOUT25oC2.67) 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： AOUT补偿＝AOUT*(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(25oC),温度变化系数为 5mV/oC 所有的零点漂移 数字补偿可以用下面的方程来描述： AOUT补偿＝AOUT-(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 * TOUT1 b = -r0* (TOUT1+TOUT2)–r1*(TOUT0+TOUT2)–r2*(TOUT0+TOUT1) c = r0 + r1 + r2 © ©MEMSIC, Inc. 09/29/2003 Page 4 of 5 应 用 资 料应 用 资 料 #AN-00MX-002-CN a/d resolution a/d voltage reference Application Temperature mcu math library required d constant e constant f constant Sensitivity error after range p. 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 3.7898·10-7 0.4% 8 bits 5.0 V 0°C to +70°C Fixed point -9.2673·10-1 3.7753·10-2 0 1.。