0 引言
在石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域中，都必須進行相關(guān)的壓力檢測與分析。壓力傳感器測量誤差大小直接影響到測控系統(tǒng)的性能。擴散硅壓阻式壓力傳感器是應(yīng)用最廣泛的壓力傳感器之一，它相當于一個有四只電阻的橋路。半導(dǎo)體電阻有溫度系數(shù)，會產(chǎn)生溫度誤差;傳感器的壓敏特性又有非線性誤差。因此，壓力傳感器在實際應(yīng)用中會有溫度和壓力誤差存在。利用壓力傳感器進行高精度測量時，就要對壓力傳感器的誤差進行補償。按照實現(xiàn)的條件可以將誤差的補償方法分為用硬件電路補償和在智能芯片或微機中以軟件方法實現(xiàn)補償。
本壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上，采用AT89S52單片機控制X型精密硅壓式壓力傳感器MPX2100和高精度積分式A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135等器件，對壓力信息進行采集轉(zhuǎn)換;軟件上，在分析基于最佳擬合直線原理的壓力傳感器非線性補償模型的基礎(chǔ)上，對采集的壓力數(shù)據(jù)進行非線性修正，實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的高精度輸出。
1 硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
基于單片機的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖如1所示。系統(tǒng)的壓力傳感器選用Motorola公司的高精度X型硅壓力傳感器MPX2100，轉(zhuǎn)換精度高、靈敏度高，具有極好的線性度，其輸出的模擬信號通過信號調(diào)理電路放大調(diào)理。調(diào)理后的模擬電量在AT89S52單片機的控制下，通過ICL7135進行A/D轉(zhuǎn)換，可以保證系統(tǒng)具有高數(shù)據(jù)采集精度和很強的抗干擾能力，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量傳送給單片機進行運算及軟件補償?shù)忍幚怼Ｗ詈髮?shù)據(jù)顯示出來，同時可經(jīng)串行接口傳送到上位機，實現(xiàn)良好的人機交換，鍵盤提供人機交互的手段。
1.2 壓力采集及信號變換
Motorola公司的X型硅壓力傳感器與擴散硅壓阻式壓力傳感器的惠斯登電橋不同，其專利技術(shù)采用單個壓敏元件呈X型的電阻元件，因而稱為X型壓力傳感器。該X型電阻是利用離子注入工藝光刻在硅膜片上，并采用計算機控制的激光修正技術(shù)，溫度補償技術(shù)，使其精度很高，并具有極好的線性度和靈敏度。壓力信號經(jīng)高精度壓力傳感器MPX2100變?yōu)殡娦盘?，由于電信號比較微弱，為防止傳輸過程的衰減影響系統(tǒng)精度，系統(tǒng)采用電流傳輸。采集信號經(jīng)過圖2電路調(diào)理后，變換成4～20mA的標準電流信號，通過CMOS型8選1多路開關(guān)CD4051選擇之后，輸出到A/D模塊ICL7135進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。
在圖2所示電路中，IC1、IC2、IC3選用高精度運算放大器OP07。第一級由運放IC1、IC2構(gòu)成差動放大器，電位器RP1用來調(diào)節(jié)第一級輸出電壓的大小;電壓到電流的變換由IC3構(gòu)成增益為1的差動放大器完成，IC3連接三級管9013作為實際電流源來提供20mA電流輸出;為保證在使用很長傳輸線時仍達到良好的性能，所有相同阻值電阻之間應(yīng)匹配良好，且在電源與輸出端之間加上電容器C1、C2以防止振蕩。在無壓力時，只要調(diào)節(jié)RP2使在接受器上的電流為4mA;在滿度壓力時，調(diào)節(jié)RP1使在接受器上的電流恰好為20mA。從而保證硬件采集和傳輸過程的精度。
2 非線性誤差的補償
軟件補償是將微處理器與壓力傳感器結(jié)合起來，充分利用單片機豐富的軟件功能、結(jié)合一定的補償算法對傳感器的附加誤差進行修正。常用的軟件補償算法有曲線擬合法和表格法。對于曲線擬合方法，常用的有最小二乘法和切比雪夫法。最小二乘擬合法又可分為最佳擬合直線法和多項式擬合曲線法。擬合的方法不同，擬合誤差就不同。一般來說，對于理論上輸入輸出為線性關(guān)系的傳感器，當擬合的次數(shù)較低時， 采用最小二乘法的精度較高。考慮到一般測試儀器的實際測試精度要求以及計算機的數(shù)據(jù)運算能力、存儲能力，我們采用低階的最小二乘法曲線擬合，對誤差加以修正。2.1最佳擬合直線補償原理x1 假設(shè)擬合直線的方程為y=kx+b，設(shè)被測物理量為，x2，…xn，相應(yīng)的測量結(jié)果為y1，y2，…，yn，則第i個測量數(shù)據(jù)與擬合直線上相應(yīng)值之間的殘差為：△i=yi-(kxi+b)，最小二乘法擬合的原則是
使為最小，即使
從而求得：
根據(jù)校準曲線上n個測量值，將式(1)和(2)編制計算程序，很快可得最小二乘方擬合直線的截距和斜率。
2.2 軟件實現(xiàn)
在軟件實現(xiàn)過程中，為更好的補償系統(tǒng)非線性誤差，我們在滿量程的壓力測量范圍內(nèi)等分若干工作區(qū)段，每段曲線用一段對應(yīng)的折線來代替，對每段折線可求出斜率k和截距b，得到線段的回歸方程：y=kix+bi式中，i為某段折線的序號，x為壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，y為修正輸出數(shù)值。
通過測量調(diào)試，得到系統(tǒng)測量參數(shù)，預(yù)先將每段的特性數(shù)值存儲于單片機的程序存儲器中，在不同的工作區(qū)段，單片機自動地將對應(yīng)的每段的參數(shù)值調(diào)出進行運算修正處理。
修正計算子程序流程圖如下：
3 結(jié)果仿真
本文用Matlab對實驗室的擴散型壓力傳感器的測量數(shù)據(jù)做了仿真，如圖4所示。實驗數(shù)據(jù)見下表。為了提高補償精度，最小二乘法擬合時將壓力數(shù)據(jù)范圍0～0.06Mpa平均分為3段，分段用最小二乘法的最佳擬合直線擬合。仿真結(jié)果說明這種補償方法可以更好的修正采集系統(tǒng)的誤差，有利與提高整個系統(tǒng)的精度。
4 結(jié)束語
本設(shè)計是一種通用的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，硬件采用Motorola公司專利技術(shù)的x型硅壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過4～20mA電流電路調(diào)理，保證了硬件采集和傳輸過程的精度;軟件采用低階的最小二乘之最佳擬合直線方法擬合，對誤差加以修正，從而實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的準確采集。為提高軟件補償精度，采用量程范圍內(nèi)分段補償措施，仿真結(jié)果表明此方法精度更高。本設(shè)計主要解決了半導(dǎo)體壓力傳感器由于溫度漂移、零點漂移等引起的非線性誤差補償問題，提高了整個系統(tǒng)的測量精確度?？蓮V泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)領(lǐng)域的壓力數(shù)據(jù)的采集、檢測和分析。
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