智能型压力变送器的研究

摘要：本文介绍了一种由单片机8031开发的智能型压力变送器的电路结构、理论基础，硬、软件的设计重点阐述了二传感器的信息融合技术及应用。关键字：变送器；信息融合；控制1 引言 近年来，传统意义下的传感器以其本身的特点在控制领域发挥着巨大的作用。但随着计算机技术的飞速发展，要求仪器仪表能自动实现多种功能，而且总线控制要求传统传感器具有自校正、自诊断、自补偿功能。这样，应用单片机对传统的传感器进行适当的控制，便可以达到上述要求。对于变送器，也就是使得传感器的输出信号标准化，国际上通用标准为电流4～20 mA输出。本课题在变送器的基础上，应用单片机对其进行控制，便能达到自校正、自诊断、自补偿的能力。随着微电子技术的发展，传感器特别是压力传感器和温度传感器的精度已经趋于稳定。目前发展较快的总线技术本质上也要求变送器（或传感器）具有良好的可靠性和更高的精度。国外的一些公司（如HONEYWELL、ROSEMOUNT等）已推出智能型变送器，而我国在这方面基本上属于空白，所需产品必须进El，因此自行研制智能型变送器具有重要的理论和实际意义。2 理论基础 本课题的采样由差压传感器和温度传感器完成。通常传感器存在交叉灵敏度[sup][1] [/sup]，表现在传感器的输出值不单决定于一个参量，当其他参量变化时，输出值也要发生变化。例如一个压力（差）传感器，当压力（差）参量恒定而温度或静压参量变化时，其输出值也发生改变，那么这个压力（差）传感器就存在有对温度或对静压参量的交叉灵敏度。存在交叉灵敏度的传感器，其性能不稳定，测量精度低。多传感器的信息融合技术 就是通过对多个参数的监测并采用一定的信息处理方法达到提高每一个参量测量精度的目的。本文仅讨论二传感器信息融合原理。 二传感器可测量两个参量，得到两个参量的信息。两个信息的融合算法可以有多种，曲面拟合算法是基本之一，也就是二维回归分析法。下面讨论曲面拟合法基本原理。 已知压力传感器输出值电压U[sub]p[/sub] ，且存在温度灵敏度。因此只对压力传感器进行一维标定实验。若由获得的输入（压力P）输出（电压U[sub]p[/sub] ）特性曲线来求取被测压力值会有较大误差（因为被测量P不是输出值U[sub]p[/sub] 的一元函数）。而另一温度传感器输出电压U[sub]t[/sub]代表温度信息t；则压力参量P可用U[sub]p[/sub]及U[sub]t[/sub]二元函数来表示才较完备，即 同理，我们也可以将压力传感器输出电压U[sub]p[/sub]描述为压力参量P和温度传感器输出U[sub]t[/sub]的二元函数，即 此时可利用二次曲面拟合方程，即二维回归方程来描述： 如果式（1）和（2）中的各个常系数已知，那么用于检测P和输出U[sub]p[/sub]的二元输入输出特性即曲面拟合方程（1）及（2）式就确定了。当采集到二传感器的输出值U[sub]p[/sub]及U[sub]t[/sub]时，代入式（1）中就可以计算得到传感器的被测参量P。为此，首先要进行二维标定实验，然后根据标定的输入、输出值由最小二乘法原理确定常系数。（1）实验标定 在压力传感器的量程范围内确定 个压力标定点（设 一6），在工作温度范围内确定m个温度标度点（设m=5）。于是由压力P和温度t标准值发生器产生在各个标定点的标准输入值为： 对应于上述各个标定点的标准输入值读取相应的输出值这样，我们在m个不同温度状态对压力传感器进行静态标定，获得了对应个不同温度状态的 条输入输出特性，即P—u，特性簇，如图1（a）所示。同样我们也可获得对应于不同压力状态的温度传感器的n条输入输出特性（t～U[sub]t[/sub] ），即t—U[sub]t[/sub] 特性簇，如图1（b）所示。（2）二次曲面拟合方程待定常数的确定 为确定式（1）和（2）所表征的二次曲面拟合方程式的常系数，通常根据最小二乘法原理，求得的系数满足均方误差最小条件。智能型压力变送器数据融合技术中的系数a。～a[sub]t[/sub]由单片机控制输出。3 硬件设计[sup][3][/sup] 智能型压力变送器由压力、静压和温度传感器组成前端电路；经多路转换开关与A／D转换开关相连；采用8o31单片机，它有16位高速微控制器，运算功能强，接口简单等优点；外部接有F，PROM和RAM 存储空间、锁存器及显示器和打印机。单片机对信号进行处理，然后送入D／A转换器，并经过V／I转换电路输出标准电流。系统硬件结构框图见图2所示。4 软件设计 本系统开发3个软件：其中主程序用来控制整个系统的工作｛数据融合技术流程图用来确定常系数等及运算输出｛第三个软件系统是智能型变送器非线性校正（标度变换）子程序。5 测试结果 经模拟实验及智能型变送器数据融合技术的软件处理，得出实验标定数如表1所示。 由表1可见：压力输出信号UP随工作温度的升高而减小，在工作温度一10℃至50℃范围内，在压力值为2500 Pa输入时，输出值随温度变化的最大改变量为△U[sub]max [/sub]。 故得a[sub]t[/sub]=23．6／60×118．5=3．3×10 ／℃由此可见，当温度改变1℃时，传感器的压力输出值改变有所改善。（2）计算压力传感器的零位温度系数 ，根据定义： 由此可见，当温度改变I℃时，压力传感器的漂移量很小。6 结柬语 综上所述．智能压力变送器虽然采用传感器采样信号，由于采用多传感器的融合技术和单片机的控制和处理，使得传感器的交叉灵敏度非常小，自行研制的智能型压力变送器的测量精度较高，基本上符合该仪器的主要性能指标，性能稳定，运行可靠，其在石油、化工冶金、电力、轻工等行业得到广泛应用。[参考文献][1]第四届全国敏感文件与传感器学术会垃论文集1995，5．39—41．[2]剂君华等，智能传感器系统[M]．酉电版，1999．[3]仪器仪表学报．1997．（5）．202 503．智能型压力变送器的研究：PDF