王俊杰+秦會(huì)斌

摘 要： 克服傳統(tǒng)的通過(guò)硬件電路來(lái)對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，介紹利用單片機(jī)進(jìn)行壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)幕痉椒ǎ撌鋈绾卫密浖M(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ敿?xì)描述高精度溫度補(bǔ)償?shù)能浖惴ㄔ?，為?shí)現(xiàn)通過(guò)軟件進(jìn)行溫度補(bǔ)償提供了理論依據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了采用高精度溫度補(bǔ)償算法的傳感器輸出精度有了顯著的提高。

關(guān)鍵詞： 壓力傳感器； 零點(diǎn)溫漂； 溫度補(bǔ)償； 輸出

中圖分類號(hào)： TN919?34； TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）22?0105?03

Implementation of pressure sensor software for high accuracy temperature compensation

WANG Jun?jie， QIN Hui?bin

（Institute of Electronic Device and Application， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to overcome the shortcomings of traditional hardware circuits for the pressure sensor temperature compensation， the basic method using single chip processor for pressure sensor temperature compensation is introduced. The method to implement temperature compensation by software is discussed. The principle of software algorithm for high?accuracy temperature compensation is expatiated， which provides a theoretical basis for temperature compensation by software. The experiment results prove that the sensor output accuracy has been significantly improved by the high?accuracy temperature compensation algorithm.

Keywords： pressure sensor； zero drift； temperature compensation； output

0 引 言

壓力傳感器是一種常用的傳感元件，由于其自身的非線性與使用時(shí)受到外界測(cè)量條件的影響，使得壓力傳感器在輸出時(shí)大都出現(xiàn)了非線性的特征，故存在多種因素的誤差。然而，在這些誤差因素中以溫度的影響最為明顯，所以對(duì)傳感器的溫度誤差補(bǔ)償尤為重要[1?3]。采用硬件補(bǔ)償?shù)拇胧?shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償是極為繁瑣與困難的，但是通過(guò)引入軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償是一種比較有效的途徑[4?5]。只要采用足夠精確的溫度誤差補(bǔ)償模型就可以得到滿意的結(jié)果，同時(shí)希望采用的算法簡(jiǎn)單、高效以避免如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償算法的復(fù)雜與耗時(shí)的特點(diǎn)[6]。

1 傳統(tǒng)的硬件補(bǔ)償方式及其缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的硬件溫度誤差補(bǔ)償解決方法是通過(guò)在惠斯特電橋電路中的一個(gè)或兩個(gè)橋臂上并聯(lián)熱敏電阻Rt，如圖1所示[7]。但是由于熱敏電阻自身的特性，不可能做到完全的溫度誤差補(bǔ)償[8?9]。此外，通過(guò)硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償存在器件固有的不穩(wěn)定性、調(diào)試?yán)щy、通用性差、成本高、精度低等缺點(diǎn)，不利于工程實(shí)際應(yīng)用。所以，本文介紹結(jié)合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制的高精度溫度誤差補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)。

圖1 并聯(lián)熱敏電阻溫度誤差補(bǔ)償方式

2 溫度補(bǔ)償?shù)脑?/p>

在單片機(jī)傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，要解決傳感器溫度誤差補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，必須要測(cè)出傳感器所在點(diǎn)的溫度，因此需要溫度傳感器。溫度傳感器通常是安裝在傳感器內(nèi)靠近敏感元件的地方。首先通過(guò)A/D采樣電路采集溫度傳感器在此溫度時(shí)對(duì)應(yīng)輸出的電壓信號(hào)（記為Ut）后傳送到單片機(jī)中暫存；然后通過(guò)A/D采樣電路采集經(jīng)過(guò)放大電路放大后的傳感器輸出信號(hào)（記為Uo）并傳送到單片機(jī)；最后啟動(dòng)溫度誤差補(bǔ)償程序，通過(guò)Ut找到事先已經(jīng)記錄在單片機(jī)中的零點(diǎn)溫漂電壓Uc，則最后的輸出電壓為：

[Ue=Uo-Uc] （1）

具體的原理框圖如圖2所示[10?11]。

圖2 帶軟件溫度補(bǔ)償功能的單片機(jī)

傳感器測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

3 溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型建立

3.1 線性溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型

在對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，必須事先在給定的n個(gè)溫度值（T1，T2，…，Tn）上測(cè)出溫度傳感器輸出的每個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)（Ut1，Ut2，…，Utn），然后測(cè)出每個(gè)溫度點(diǎn)上傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路放大后對(duì)應(yīng)的溫漂電壓（Uc1，Uc2，…，Ucn），為了保證數(shù)據(jù)的精確性，可以在恒溫箱中進(jìn)行測(cè)量。將（Ut1，Ut2，…，Utn）與（Uc1，Uc2，…，Ucn）制作成一張表，放入單片機(jī)內(nèi)存中，然后建立溫度傳感器輸出的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)與溫漂電壓信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，其特性曲線Uc=F（Ut）如圖3所示。我們可以將圖3所示的曲線分成n段，將相鄰兩個(gè)點(diǎn)之間的曲線近似看作為直線，這樣就可以利用線性方法求出溫度傳感器輸出的某個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)Ut所對(duì)應(yīng)的溫漂電壓Uc，這就是線性插值法。假設(shè)測(cè)得溫度傳感器輸出的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)Ut為（Ut1，Ut2，…，Utn）中的某一個(gè)值，則對(duì)應(yīng)的溫漂電壓Uc為其相對(duì)應(yīng)的（Uc1，Uc2，…，Ucn）中的某一個(gè)值；假設(shè)測(cè)得溫度傳感器輸出的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)Ut在（Uti，Ut（i+1））之間，則其對(duì)應(yīng)的溫漂電壓Uc可由式（2）求得：

[Uc=Uci+（Ut-Uti）Uc（i+1）-UciUt（i+1）-Uti， 1≤i≤n-1] （2）

從式（2）可以得知n取得足夠大就可以獲得良好的精度，這樣單片機(jī)就可以通過(guò)測(cè)得的溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)得到對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓。

圖3 溫度傳感器輸出的電壓與溫漂電壓的特性曲線

3.2 非線性溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型

若溫度傳感器輸出的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)與溫漂電壓信號(hào)特性曲線變化很大，采用的線性插值法會(huì)造成比較大的誤差。故可以采用二次曲線插值法，如圖4所示。通過(guò)曲線上的3個(gè)點(diǎn)K1（Ut1，Uc1），K2（Ut2，Uc2），K3（Ut3，Uc3）形成一段拋物線，但是傳統(tǒng)的一元二次拋物線方程為Uc=AUt2+BUt+C，這種方式為了求出A、B、C的值需要聯(lián)立方程組，計(jì)算復(fù)雜導(dǎo)致程序也比較復(fù)雜。采用下面這種方程形式：

[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+B（Ut-Ut1）+C] （3）

式中：A，B，C的值很容易根據(jù)K1，K2，K3三點(diǎn)求出。當(dāng)Ut=Ut1，Uc=Uc1時(shí)，可知C=Uc1，又根據(jù)Ut=Ut2，Uc=Uc2時(shí)，可知：

[B=Uc2-Uc1Ut2-Ut1] （4）

將C和B代入方程式（3）中得到方程式的另一種形式：

[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+Uc2-Uc1Ut2-Ut1（Ut-Ut1）+Uc1] （5）

將Ut=Ut3，Uc=Uc3代入方程式（4）得：

[A=Uc3-Uc1Ut3-Ut1-Uc2-Uc1Ut2-Ut1Ut3-Ut2] （6）

由此可見(jiàn)：可以利用3個(gè)已知的點(diǎn)K1，K2，K3求出A，B，C的數(shù)值，然后放入單片機(jī)的內(nèi)存中，根據(jù)Ut的值可以求出相對(duì)應(yīng)的Uc的值。以上便是對(duì)傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，用這2個(gè)模型便可進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。

圖4 二次曲線插值法

4 溫度補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

線性溫度補(bǔ)償與非線性溫度補(bǔ)償軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5和圖6所示。因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)連續(xù)變化的模擬量，因此為了提高精度采集的溫度點(diǎn)越多精度就會(huì)越高?？梢圆捎梦粩?shù)較多的A/D芯片以保證一般情況下的需要。結(jié)合單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。這種軟件設(shè)計(jì)方式確保了無(wú)需手動(dòng)設(shè)置就可以保證對(duì)溫度的變化做出及時(shí)的反應(yīng)并且找到相應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓，從而確保單片機(jī)輸出的電壓是實(shí)時(shí)更新過(guò)的修正后的電壓值。

圖5 線性溫度補(bǔ)償流程圖

圖6 非線性溫度補(bǔ)償流程圖

5 測(cè)試結(jié)果

表1顯示了20 ℃和80 ℃時(shí)傳感器的零位輸出變化情況。從表1中可以看出經(jīng)過(guò)軟件溫度補(bǔ)償后的零位輸出比未經(jīng)過(guò)軟件溫度補(bǔ)償?shù)牧阄惠敵龅玫搅孙@著的改善。

表2是在25 ℃時(shí)對(duì)傳感器的測(cè)量結(jié)果，從表2中可以看出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的精度都在1%以下。

圖7 軟件執(zhí)行流程圖

表1 傳感器補(bǔ)償前后的零位輸出變化

表2 傳感器補(bǔ)償前后的精度變化 %

6 結(jié) 語(yǔ)

為了滿足壓力傳感器在高精度場(chǎng)合的應(yīng)用要求，本文結(jié)合單片機(jī)利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償是一種非常簡(jiǎn)便、有效的方法。這種方法可以大大降低測(cè)量系統(tǒng)的電路復(fù)雜度且節(jié)約成本，對(duì)于普通的使用者來(lái)說(shuō)無(wú)需額外的操作便可以得到可靠的數(shù)值，適合對(duì)批量傳感器的補(bǔ)償，因此具有極為廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡遼林，劉晨，蓋廣洪.硅壓阻傳感器的智能溫度補(bǔ)償研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（4）：468?471.

[2] 杜永蘋(píng)，何小映.淺談傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（6）：63?64.

[3] 孫圣和.現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（1）：1?10.

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[10] 魏凱斌.一種擴(kuò)散硅壓力傳感器溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（5）：117?119.

[11] 胡園園，李淮江，王大軍.基于ATmega16的壓力傳感器溫度補(bǔ)償智能化設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：8?11.

[Uc=Uci+（Ut-Uti）Uc（i+1）-UciUt（i+1）-Uti， 1≤i≤n-1] （2）

從式（2）可以得知n取得足夠大就可以獲得良好的精度，這樣單片機(jī)就可以通過(guò)測(cè)得的溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)得到對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓。

圖3 溫度傳感器輸出的電壓與溫漂電壓的特性曲線

3.2 非線性溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型

若溫度傳感器輸出的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)與溫漂電壓信號(hào)特性曲線變化很大，采用的線性插值法會(huì)造成比較大的誤差。故可以采用二次曲線插值法，如圖4所示。通過(guò)曲線上的3個(gè)點(diǎn)K1（Ut1，Uc1），K2（Ut2，Uc2），K3（Ut3，Uc3）形成一段拋物線，但是傳統(tǒng)的一元二次拋物線方程為Uc=AUt2+BUt+C，這種方式為了求出A、B、C的值需要聯(lián)立方程組，計(jì)算復(fù)雜導(dǎo)致程序也比較復(fù)雜。采用下面這種方程形式：

[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+B（Ut-Ut1）+C] （3）

式中：A，B，C的值很容易根據(jù)K1，K2，K3三點(diǎn)求出。當(dāng)Ut=Ut1，Uc=Uc1時(shí)，可知C=Uc1，又根據(jù)Ut=Ut2，Uc=Uc2時(shí)，可知：

[B=Uc2-Uc1Ut2-Ut1] （4）

將C和B代入方程式（3）中得到方程式的另一種形式：

[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+Uc2-Uc1Ut2-Ut1（Ut-Ut1）+Uc1] （5）

將Ut=Ut3，Uc=Uc3代入方程式（4）得：

[A=Uc3-Uc1Ut3-Ut1-Uc2-Uc1Ut2-Ut1Ut3-Ut2] （6）

由此可見(jiàn)：可以利用3個(gè)已知的點(diǎn)K1，K2，K3求出A，B，C的數(shù)值，然后放入單片機(jī)的內(nèi)存中，根據(jù)Ut的值可以求出相對(duì)應(yīng)的Uc的值。以上便是對(duì)傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，用這2個(gè)模型便可進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。

圖4 二次曲線插值法

4 溫度補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

線性溫度補(bǔ)償與非線性溫度補(bǔ)償軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5和圖6所示。因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)連續(xù)變化的模擬量，因此為了提高精度采集的溫度點(diǎn)越多精度就會(huì)越高。可以采用位數(shù)較多的A/D芯片以保證一般情況下的需要。結(jié)合單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。這種軟件設(shè)計(jì)方式確保了無(wú)需手動(dòng)設(shè)置就可以保證對(duì)溫度的變化做出及時(shí)的反應(yīng)并且找到相應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓，從而確保單片機(jī)輸出的電壓是實(shí)時(shí)更新過(guò)的修正后的電壓值。

圖5 線性溫度補(bǔ)償流程圖

圖6 非線性溫度補(bǔ)償流程圖

5 測(cè)試結(jié)果

表1顯示了20 ℃和80 ℃時(shí)傳感器的零位輸出變化情況。從表1中可以看出經(jīng)過(guò)軟件溫度補(bǔ)償后的零位輸出比未經(jīng)過(guò)軟件溫度補(bǔ)償?shù)牧阄惠敵龅玫搅孙@著的改善。

表2是在25 ℃時(shí)對(duì)傳感器的測(cè)量結(jié)果，從表2中可以看出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的精度都在1%以下。

圖7 軟件執(zhí)行流程圖

表1 傳感器補(bǔ)償前后的零位輸出變化

表2 傳感器補(bǔ)償前后的精度變化 %

6 結(jié) 語(yǔ)

為了滿足壓力傳感器在高精度場(chǎng)合的應(yīng)用要求，本文結(jié)合單片機(jī)利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償是一種非常簡(jiǎn)便、有效的方法。這種方法可以大大降低測(cè)量系統(tǒng)的電路復(fù)雜度且節(jié)約成本，對(duì)于普通的使用者來(lái)說(shuō)無(wú)需額外的操作便可以得到可靠的數(shù)值，適合對(duì)批量傳感器的補(bǔ)償，因此具有極為廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡遼林，劉晨，蓋廣洪.硅壓阻傳感器的智能溫度補(bǔ)償研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，25（4）：468?471.

[2] 杜永蘋(píng)，何小映.淺談傳感器的溫度補(bǔ)償技術(shù)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（6）：63?64.

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[5] 曾鐘波.壓力傳感器零點(diǎn)漂移的解決方法淺析[J].科技視界，2013（34）：100?101.

[6] 章慧.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓力傳感器數(shù)據(jù)融合[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，21（1）：55?58.

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[9] 王淑華.MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)，2011，48（8）：516?522.

[10] 魏凱斌.一種擴(kuò)散硅壓力傳感器溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（5）：117?119.

[11] 胡園園，李淮江，王大軍.基于ATmega16的壓力傳感器溫度補(bǔ)償智能化設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：8?11.

[Uc=Uci+（Ut-Uti）Uc（i+1）-UciUt（i+1）-Uti， 1≤i≤n-1] （2）

從式（2）可以得知n取得足夠大就可以獲得良好的精度，這樣單片機(jī)就可以通過(guò)測(cè)得的溫度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)得到對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓。

圖3 溫度傳感器輸出的電壓與溫漂電壓的特性曲線

3.2 非線性溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型

若溫度傳感器輸出的溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)與溫漂電壓信號(hào)特性曲線變化很大，采用的線性插值法會(huì)造成比較大的誤差。故可以采用二次曲線插值法，如圖4所示。通過(guò)曲線上的3個(gè)點(diǎn)K1（Ut1，Uc1），K2（Ut2，Uc2），K3（Ut3，Uc3）形成一段拋物線，但是傳統(tǒng)的一元二次拋物線方程為Uc=AUt2+BUt+C，這種方式為了求出A、B、C的值需要聯(lián)立方程組，計(jì)算復(fù)雜導(dǎo)致程序也比較復(fù)雜。采用下面這種方程形式：

[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+B（Ut-Ut1）+C] （3）

式中：A，B，C的值很容易根據(jù)K1，K2，K3三點(diǎn)求出。當(dāng)Ut=Ut1，Uc=Uc1時(shí)，可知C=Uc1，又根據(jù)Ut=Ut2，Uc=Uc2時(shí)，可知：

[B=Uc2-Uc1Ut2-Ut1] （4）

將C和B代入方程式（3）中得到方程式的另一種形式：

[Uc=A（Ut-Ut1）（Ut-Ut2）+Uc2-Uc1Ut2-Ut1（Ut-Ut1）+Uc1] （5）

將Ut=Ut3，Uc=Uc3代入方程式（4）得：

[A=Uc3-Uc1Ut3-Ut1-Uc2-Uc1Ut2-Ut1Ut3-Ut2] （6）

由此可見(jiàn)：可以利用3個(gè)已知的點(diǎn)K1，K2，K3求出A，B，C的數(shù)值，然后放入單片機(jī)的內(nèi)存中，根據(jù)Ut的值可以求出相對(duì)應(yīng)的Uc的值。以上便是對(duì)傳感器進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，用這2個(gè)模型便可進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。

圖4 二次曲線插值法

4 溫度補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

線性溫度補(bǔ)償與非線性溫度補(bǔ)償軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5和圖6所示。因?yàn)闇囟仁且粋€(gè)連續(xù)變化的模擬量，因此為了提高精度采集的溫度點(diǎn)越多精度就會(huì)越高?？梢圆捎梦粩?shù)較多的A/D芯片以保證一般情況下的需要。結(jié)合單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。這種軟件設(shè)計(jì)方式確保了無(wú)需手動(dòng)設(shè)置就可以保證對(duì)溫度的變化做出及時(shí)的反應(yīng)并且找到相應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓，從而確保單片機(jī)輸出的電壓是實(shí)時(shí)更新過(guò)的修正后的電壓值。

圖5 線性溫度補(bǔ)償流程圖

圖6 非線性溫度補(bǔ)償流程圖

5 測(cè)試結(jié)果

表1顯示了20 ℃和80 ℃時(shí)傳感器的零位輸出變化情況。從表1中可以看出經(jīng)過(guò)軟件溫度補(bǔ)償后的零位輸出比未經(jīng)過(guò)軟件溫度補(bǔ)償?shù)牧阄惠敵龅玫搅孙@著的改善。

表2是在25 ℃時(shí)對(duì)傳感器的測(cè)量結(jié)果，從表2中可以看出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的精度都在1%以下。

圖7 軟件執(zhí)行流程圖

表1 傳感器補(bǔ)償前后的零位輸出變化

表2 傳感器補(bǔ)償前后的精度變化 %

6 結(jié) 語(yǔ)

為了滿足壓力傳感器在高精度場(chǎng)合的應(yīng)用要求，本文結(jié)合單片機(jī)利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償是一種非常簡(jiǎn)便、有效的方法。這種方法可以大大降低測(cè)量系統(tǒng)的電路復(fù)雜度且節(jié)約成本，對(duì)于普通的使用者來(lái)說(shuō)無(wú)需額外的操作便可以得到可靠的數(shù)值，適合對(duì)批量傳感器的補(bǔ)償，因此具有極為廣泛的應(yīng)用前景。

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