油缸壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫漂誤差精確補(bǔ)償方法

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特種車(chē)輛的性能越來(lái)越高，系統(tǒng)構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜、精密，采用嵌入式傳感器實(shí)現(xiàn)眾多工況參數(shù)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，是未來(lái)車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。同時(shí)由于車(chē)輛結(jié)構(gòu)的緊湊，要求實(shí)現(xiàn)小型嵌入式傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。否則，許多故障點(diǎn)無(wú)法直接監(jiān)測(cè)，只能通過(guò)測(cè)量外圍相關(guān)參數(shù)換算得到，換算結(jié)果的正確與否不得而知，從而可能導(dǎo)致更大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著微電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使小型壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。本文采用先進(jìn)的壓力傳感器器件，結(jié)合精密放大電路和低功耗高性能處理器，構(gòu)成嵌入式特種車(chē)輛行星變速機(jī)構(gòu)操縱壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)測(cè)量電路和補(bǔ)償算法的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高精度誤差補(bǔ)償。

1 嵌入式壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)

1.1 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

特種車(chē)輛的行星變速機(jī)構(gòu)位于綜合傳動(dòng)裝置大箱體內(nèi)，周?chē)臻g狹小而且部分浸泡在潤(rùn)滑油中，溫度高達(dá)135 ℃。通過(guò)論證，選擇一種小型隔離膜片式壓力傳感器，并將其安裝在油缸附件的油道上，通過(guò)精密儀表放大器將信號(hào)放大后，采用高有效位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其量化，并用ATMEL公司的AVR系列微控制器（MCU）[2]完成數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)CAN2.0總線(xiàn)將處理結(jié)果提供給操作人員，以達(dá)到保護(hù)車(chē)輛綜合傳動(dòng)裝置的目的。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

由于系統(tǒng)工作溫度范圍比較寬(-20 ℃~135 ℃)，因此溫度變化對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量誤差影響最大，本文著重研究并實(shí)現(xiàn)了由于溫度漂移引起的測(cè)量誤差的補(bǔ)償處理方法[3]。整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償方法包括電路硬補(bǔ)償和算法軟補(bǔ)償兩部分，硬補(bǔ)償包含傳感器本身的工藝調(diào)制補(bǔ)償和放大電路補(bǔ)償；軟補(bǔ)償是通過(guò)在MCU內(nèi)嵌入B樣條溫度補(bǔ)償算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 硬補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用硅壓阻式壓力傳感器，它具有體積小、靈敏度高、分辨率高等特點(diǎn)，被廣泛采用。但溫度漂移是硅壓阻式傳感器的最大弱點(diǎn)，它包括零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。由于組成電橋的4個(gè)電阻的阻值不可能完全一致，當(dāng)輸入壓力為零時(shí)，電橋輸出不為零，具有零點(diǎn)偏移。靈敏度溫度漂移主要是由半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)隨溫度的變化而發(fā)生變化造成的，一般地說(shuō)，壓阻式傳感器的靈敏度隨溫度的升高而下降[4]。

本系統(tǒng)選用美國(guó)某公司的小型硅壓阻式傳感器，其最大量程為300 psi(1 psi=6.895 kPa)，輸出電壓為0~100 mV，非線(xiàn)性度為±0.1%。傳感器通過(guò)對(duì)陶瓷基座上的厚膜電阻進(jìn)行激光修阻，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償及零點(diǎn)偏差調(diào)整。其內(nèi)部提供的激光修正電阻用來(lái)調(diào)節(jié)外部放大器的增益，從而保證傳感器±0.1%互換性量程，電路原理圖如圖2所示。

由于傳感器最小分辨率為微伏級(jí)，極易在傳輸和測(cè)量時(shí)產(chǎn)生干擾，造成結(jié)果失真，因此必須采用一個(gè)高精度、高共模抑制比的測(cè)量放大電路進(jìn)行小信號(hào)的放大處理。

本系統(tǒng)采用了具有差分輸入和閉環(huán)增益單元的儀表放大器INA128作為前端放大電路來(lái)做硬補(bǔ)償。儀表放大器的兩個(gè)輸入端阻抗平衡并且阻值很高，輸入偏置電流很低，并具有很低的輸出阻抗,共模抑制為100 dB，即可將共模電平產(chǎn)生的任何誤差減小到100 dB。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，正好與圖2所示的硬補(bǔ)償電路中的放大器相符。

1.3 軟補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過(guò)硬補(bǔ)償后，將電壓信號(hào)經(jīng)24 bit量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣后送給MCU進(jìn)行后續(xù)處理。MCU采用ATMEL公司的ATmega32，其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，利用MCU的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了基于B樣條的溫漂補(bǔ)償處理算法。之所以采用B樣條曲線(xiàn)來(lái)擬合壓力傳感器的溫度系數(shù)，是因?yàn)锽樣條曲線(xiàn)具有局部控制特性，曲線(xiàn)只在改變了的控制點(diǎn)附近才改變形狀；并且，B樣條曲線(xiàn)可以隨意增加控制點(diǎn)，而不提高曲線(xiàn)的階次，對(duì)于不同的應(yīng)用選擇控制點(diǎn)數(shù)，可以滿(mǎn)足不同的擬合要求[5]。

樣條是一個(gè)分段多項(xiàng)式函數(shù)，k階(k-1次)B樣條曲線(xiàn)的表達(dá)式是：

當(dāng)分母為零時(shí)，定義分式的值為零。其中ti表示控制點(diǎn)節(jié)點(diǎn)值，它控制曲線(xiàn)形狀,節(jié)點(diǎn)值從t0到tn+4。在本系統(tǒng)中使用的是非封閉曲線(xiàn)，因此ti取值規(guī)則如下：

在MCU中實(shí)現(xiàn)基于B樣條的補(bǔ)償算法,考慮到B樣條為非封閉曲線(xiàn)，由式(4)和式(5)確定控制點(diǎn)的選取應(yīng)多于4個(gè)。考慮到補(bǔ)償算法的實(shí)時(shí)性，對(duì)計(jì)算速度也提出了一定的要求，控制點(diǎn)也不宜太大。綜合上述原因，取n=6，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本采集，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)B樣條曲線(xiàn)的計(jì)算公式，推導(dǎo)控制節(jié)點(diǎn)值ti，編寫(xiě)3次B樣條調(diào)和函數(shù)的求解程序，對(duì)每一個(gè)控制點(diǎn)計(jì)算一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)C(u),并將補(bǔ)償系數(shù)寫(xiě)入相應(yīng)的Flash寄存器中。系統(tǒng)正常工作時(shí)，通過(guò)車(chē)輛溫度傳感器獲得壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的溫度值，并讀取相應(yīng)寄存器的補(bǔ)償系數(shù)，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償，即可得到經(jīng)過(guò)校正以后的壓力輸出。

2 軟、硬補(bǔ)償方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將壓力傳感器置于150 psi恒壓環(huán)境下，對(duì)壓力傳感器信號(hào)經(jīng)放大后的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量。如果系統(tǒng)不受溫漂影響的話(huà)，理論上輸出電壓應(yīng)穩(wěn)定在2.5 V。在不同溫度下經(jīng)硬補(bǔ)償后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

按照表1中的數(shù)據(jù)作一條曲線(xiàn)，與理想輸出比較，如圖4所示。明顯可以看到，輸出隨溫度的變化呈現(xiàn)的不是一條直線(xiàn)，而是非線(xiàn)性的變化，說(shuō)明通過(guò)前面硬補(bǔ)償后，雖然非線(xiàn)性可限制在滿(mǎn)量程的0.1%內(nèi)，對(duì)于精度要求高的系統(tǒng)還是不滿(mǎn)足要求,需進(jìn)一步做軟補(bǔ)償。

硬補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)在MCU內(nèi)再使用B樣條軟補(bǔ)償算法進(jìn)行校正，校正后的結(jié)果如表2所示。

由表2可知，系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)軟補(bǔ)償后，7個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量值與理論值相比，誤差小了很多，與只進(jìn)行硬補(bǔ)償相比，誤差可減小到1/5左右，軟、硬補(bǔ)償后誤差曲線(xiàn)如圖5所示。

本文著重研究了對(duì)于新型特種車(chē)輛中高精度壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫漂誤差補(bǔ)償方法。與傳統(tǒng)方法相比，本方法主要特點(diǎn)是采用了硬補(bǔ)償和軟補(bǔ)償結(jié)合的方式。硬補(bǔ)償包含傳感器本身的工藝調(diào)制補(bǔ)償和放大電路補(bǔ)償；軟補(bǔ)償是通過(guò)在MCU內(nèi)嵌入B樣條曲線(xiàn)擬合進(jìn)行溫度補(bǔ)償。與其他方法相比，本方法易于實(shí)現(xiàn)，擬合誤差小，使系統(tǒng)的精度得到較大的提高，并提高了系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)已經(jīng)在某樣車(chē)中試用，運(yùn)行狀況良好，補(bǔ)償精度高，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。