智能型壓力變送器的非線性校正

摘要:根據(jù)多傳感器的信息融合,在單片機(jī)的控制管理下研究了智能型壓力變送器的非線性校正，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)出的標(biāo)定數(shù)據(jù)的計(jì)算可知,校正后的多傳感器的交叉靈敏度大大減少,從而提高了測(cè)量精度、性能的穩(wěn)定性和運(yùn)行的可靠性。
0前言
　　使用傳感器采樣信號(hào)時(shí),由于環(huán)境參量的影響必然存在交叉靈敏度,表現(xiàn)在傳感器的輸出值不只決定于一個(gè)參量,當(dāng)其他參量變化時(shí),輸出值也要發(fā)生變化。例如,一個(gè)壓力(差)傳感器,當(dāng)壓力(差)參量恒定而溫度或靜壓參量變化時(shí),其輸出值也發(fā)生改變。即存在有對(duì)溫度或?qū)o壓參量的交叉靈敏度。存在交叉靈敏度的傳感器,其性能不穩(wěn)定,測(cè)量精度低。多傳感器信息融合技術(shù)",就是通過(guò)對(duì)多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)并采用一定的信息處理方法達(dá)到提高每一個(gè)參量測(cè)量精度的目的。
　　近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,使得儀器、儀表向自動(dòng)化、多功能化發(fā)展,應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行控制,使其具有自校正、自診斷、自補(bǔ)償?shù)哪芰?特別是目前發(fā)展較快的總線技術(shù)要求變送器(或傳感器)具有良好的可靠性和更高的精度。為此，國(guó)外一些公司已推出智能型變送器。
　　智能型壓力變送器的非線性校正進(jìn)行分泌性。眾所周知的壓阻式壓力傳感器存在對(duì)靜壓、溫度交叉靈敏度,尤其是它對(duì)溫度的敏感成為它的最大缺點(diǎn)。人們?yōu)榱讼郎囟葘?duì)它的影響付出了長(zhǎng)期的努力和高昂的代價(jià)。為了獲得精度高穩(wěn)定性好的傳感器,一些人從對(duì)壓阻式壓力傳感器的研究轉(zhuǎn)而研究諧振式、電容式傳感器。差壓電橋、靜壓電橋和感溫電阻集為一體的硅壓阻式多功能傳感器,推出了智能型壓力/壓差變送器,其測(cè)量精度達(dá)(0.1~0.075)%rS,溫度附加差也大大減少。如此優(yōu)異性能的實(shí)現(xiàn)得益于它具有多種智能功能,其中尤其是采用了多傳感器信息融合處理技術(shù)。
經(jīng)過(guò)30年對(duì)氣體傳感器材料和機(jī)理,仍證明僅依靠提高單個(gè)傳感器的選擇性是困難的,克服這一困難的主要途徑是發(fā)展氣體傳感器的陣列技術(shù)。
　　近年來(lái),模糊理論人工神經(jīng)元理論以及各種傳感器陣列分析理論紛紛被應(yīng)用來(lái)增強(qiáng)傳感器的智能化程度,以有效地克服自身交叉靈敏度、時(shí)漂老化等因素而存在的不穩(wěn)定性不可靠性。
　　智能型壓力變送器采用二傳感器采樣信號(hào),利用線性回歸分析法,介紹二傳感器的信息融合技術(shù),并通過(guò)單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,使得整個(gè)系統(tǒng)的輸出精度得到進(jìn)一步提高,而且功能多樣化。
1壓力變送器的實(shí)驗(yàn)
　　智能型壓力變送器采用壓差傳感器和溫度傳感器分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)目標(biāo)參量p和t。兩個(gè)輸出信息進(jìn)行融合處理后便可提高兩個(gè)目標(biāo)參量的測(cè)量精度,減小相互交叉靈敏度。若目標(biāo)參量p的輸出值為Up,另一目標(biāo)參量t的輸出值為Ut,則可用兩個(gè)二次曲面擬合方程“來(lái)描述。
 
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定點(diǎn)的輸人標(biāo)準(zhǔn)值p、t及傳感器相應(yīng)的輸出值Up、U,;可聯(lián)立求解常系數(shù)的矩陣方程，確定常系數(shù)。
　　若壓力標(biāo)定點(diǎn)取6個(gè),溫度標(biāo)點(diǎn)取5個(gè).所得壓力傳感器的二維實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。
 
2智能型壓力變送器的實(shí)驗(yàn)
　　在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,加上單片機(jī)后,在數(shù)據(jù)融合技術(shù)子程序和非線性校正(標(biāo)度變換)的子程序控制下。所得智能型壓力傳感器的二維,實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。兩子程序的流程圖分別如圖1和圖2所示。
 
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
(1)兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)非線性校正后,智能型壓力傳感器的溫度靈敏度a.明顯的降低,說(shuō)明溫度對(duì)智能型變送器的工作影響大大減少,從而提高了該儀器的工作穩(wěn)定性和測(cè)量精度。其精度基本上符合智能型壓力變送器的主要性能指標(biāo)(精度=±0.3%)的要求。
 
(2)由于本實(shí)驗(yàn)的溫度采樣信號(hào)由烘箱提供.因而溫度基本上不受壓力影響。故當(dāng)差壓為零時(shí),傳感器的輸出值不變,特別是當(dāng)兩輸出信息進(jìn)行融合處理后,使得兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎一樣,故兩種情況的零位溫度系數(shù)ao相等。
4結(jié)論
　　自行設(shè)計(jì)的智能型壓力變送器,由于采用了信息融合技術(shù),又通過(guò)單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,使得整個(gè)系統(tǒng)的輸出精度得到進(jìn)一步提高，可靠性得到加強(qiáng)而且實(shí)現(xiàn)了功能多樣化。但由于所采用的元件和芯片等方面的原因,很難保證達(dá)到預(yù)期效果。關(guān)鍵問(wèn)題是在軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須在以下幾個(gè)方面下功夫。
(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真地?cái)?shù)學(xué)分折,選取最佳補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償。
(2)整個(gè)電路系統(tǒng)應(yīng)采取盡可能地簡(jiǎn)化和優(yōu)化,以致不帶來(lái)附加的千擾信號(hào)。
(3)在編制程序的過(guò)程中,應(yīng)注意結(jié)構(gòu)化程序的設(shè)計(jì)。
(4)應(yīng)盡可能選取精度較高的電源供電。