智能壓力傳感系統的設計

1 引言

　傳感器作為測控系統的前端，其工作穩定性和可靠性直接影響整個測控系統的穩定性。然而，目前傳感器受諸如溫度、濕度、電源波動等環境因素的影響，其輸出大都為非線性，致使其準確度大為下降，造成測量精度不高、穩定性差等問題。壓阻式壓力傳感器是應用最廣泛的壓力傳感器之一，也同樣存在上述問題，它利用半導體材料的壓阻效應[1]來進行壓力測量，具有靈敏度高、動態響應好、準確度高、體積小、重量輕等特點。但由于半導體材料的固有特性，壓阻式傳感器的輸出值不只決定于輸入的壓力，還受到環境溫度變化的影響，從而產生溫度漂移現象，再加上其本身所存在的非線性問題，器件在封裝加工過程中受到的應力以及供電電源波動等影響，使測量精度難以滿足測量要求，這己成為系統性能的嚴重障礙，特別是在環境溫度變化較大的應用場合更是如此。壓阻式壓力傳感器本身輸出的是一個小電壓信號, 在使用的過程中通常要對該信號進行采集, 然后處理為標準信號。

　針對以上問題，不僅需要從硬件上利用適當的信號調理電路等來抑制溫度等其它非目標參量的影響，而且需要從軟件上進行補償，采用數據融合處理[2-4]。本文設計了一種以c8051f410微處理器為核心的智能壓力傳感系統[5]。系統采用壓阻式壓力傳感器，在電路設計中，采用恒流源電路，差動放大電路，高性能集成溫度傳感器ds18b20[6]等減小溫度等環境因素對傳感器的影響。系統還采用軟件補償來修正傳感器溫漂及非線性。c8051f410微處理器對傳感器的輸出信號進行采樣處理，并可直接顯示結果，也可通過rs-232通訊口和上位機通訊，通訊協議為目前工業上常用的modbus協議。系統將溫度誤差模型及校正算式存儲在內部的微處理器中，對測量數據進行溫度誤差修正。該系統具有高精度，高抗干擾能力等特點。

2 系統結構

　 此壓力傳感器采集系統由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示系統硬件主要包括壓力傳感器及其放大部分、溫度傳感器、單片機電路、顯示部分和鍵盤輸入。軟件部分包括以下模塊：對單片機及a/d轉換器的初始化、a/d轉換器的校準(包括各通道增益)、零點漂移校正、現場壓力和溫度數據的采集、壓力傳感器的零點校準、溫度漂移補償和非線性補償、串口通訊。單片機對接收到的信號進行必要的處理后發送到顯示設備顯示給用戶，也可以根據需要把數據存儲到存儲器件中。用戶通過鍵盤對系統進行控制。

圖1 系統結構圖

3 系統硬件設計

　　3.1 采用恒流源供電減小溫度對靈敏度的影響

　四個相同阻值的壓阻組成惠斯通電橋，設阻值為r，當受到應力時電阻的阻值變化為△r，受溫度影響電阻變化量為△rt。用恒壓源供電時輸出電壓與溫度有關且為非線性，不能消除溫度的影響。

　　恒流時：v=i△r (1)

　從上式可以看出輸出電壓與溫度無關，這就消除了溫度對傳感器輸出信號的影響。所以壓力傳感器的供電方式采用恒流源供電，以減小溫度的影響。tl431是德州儀器公司生產的一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。tl431的溫度系數為30ppm/℃，輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多。本設計中選用tl431來實現恒流源電路，如圖2所示。

圖2 恒流源電路

圖3 放大電路

圖4 ad522外圍電路

　3.2 采用差動放大電路提高輸入阻抗

　　在檢測技術應用中，壓阻效應發出的電阻值變化輸出的信號往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對輸入的模擬信號一般要經過放大，使模擬量適合于模數轉換器的電壓轉換范圍。對信號的放大要求放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。信號放大器采用ad公司生產的通用儀器儀表單片放大器ad522，ad522主要可用于惡劣環境下要求進行高精度數據采集的場合，具有低電壓漂移、低非線性、高共模抑制比、低噪聲、低失調電壓等特點，因而可用于許多12位數據采集系統中。圖3為ad522典型接法，圖中三個運放組成差動放大電路，差動輸入端v1和v2分別是兩個運算放大器(a1、a2)的同相輸入端，具有較高輸入阻抗。采用對稱電路結構，且被測信號直接加入到輸入端上，從而有較強的抑制共模信號的能力。a3為差動跟隨器。測量放大器的輸出：

　　
　 運放a1和a2組成的同相輸入差動電路失調電流、電壓、噪聲和漂移都很小，具有高輸入阻抗、高共模抑制比和開環增益，對微小的差模電壓很敏感，并適用于測量遠距離傳輸過來的信號，適宜于微小信號輸出的壓力傳感器放大。電路可通過調節電阻rw來調整放大倍數。

　在靠近運放電源引腳處加電容去耦，去耦電容選用0.lμf表面安裝的陶瓷片狀電容和l0μf電解電容，ad522輸出經濾波后連接到c8051f410的ad采集引腳。

　　3.3 溫度傳感器信號的提取

　 溫度傳感器的作用是，監測主傳感器工作時由于環境溫度變化或被測介質溫度變化而引起壓力敏感元件溫度的變化,以根據其溫度變化修正、補償由于溫度變化對測量帶來的誤差，本文壓力傳感器測量環境的溫度是利用dallas公司生產的集成溫度傳感器ds18b20[8]測定的，溫度傳感器ds18b20是數字化單線總線接口的溫度傳感器，它具有線路簡單、體積小、低功耗、抗干擾能力強等優點。它的測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。傳感器直接輸出的就是溫度信號數字值，單總線即只有1 根數據線,系統的數據交換、控制都由這根線完成。主機或從機通過一個漏極開路或三態端口連至該數據線，以允許設備在不發送數據時能夠釋放總線，而讓其它設備使用總線。

　現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量。微控制器c8051f410通過對ds18b20的尋址，就可以讀出傳感器溫度值從而簡化了信號采集系統的電路結構。

4 系統軟件設計

　由于硬件補償成本比較高且精度不高，需要結合軟件進行數據補償，來提高溫度漂移補償的精度，從而消除溫度等多種非目標參量的影響。傳感器非線性和溫度誤差的軟件補償修正方法很多，神經網絡己有許多成功的實例，它需要先獲取一批傳感器系統實驗數據，然后離線學習，當學習完成后，提取神經網絡的參數，編寫相應的處理程序，將溫度誤差模型及校正算式存儲在內部的微處理器中，對測量數據進行溫度誤差修正。本文采用了rbf網絡模型對實驗中采集的數據進行非線性補償仿真實驗，補償壓力傳感器溫度漂移。在對實驗數據進行融合處理以后，利用c8051f410對非線性和溫度變化產生的誤差進行修正，補償取得了非常滿意的效果，所得到的數據精度高，抗干擾能力強，見附表。