压力传感器的自动标定技术_王莉娜

第27卷第4期2007年7月海 洋 测 绘HYDROGRAP H I C SURV E Y I N G AND CHART I NGV o l 127,N o 14Ju.l ,2007收稿日期:2007-01-19;修回日期:2007-03-19作者简介:王莉娜(1955-),女,河北唐县人,高级工程师,主要从事海洋测绘仪器软硬件设计研究。

压力传感器的自动标定技术王莉娜,赵先龙,阮 锐,严晓明(海军海洋测绘研究所,天津 300061)摘要:针对压力测量设备生产和维护过程中,对关键部件压力传感器标定处于手工操作状态、效率低、操作人员不易掌控、标定结果处置复杂的现状,开发了针对压力传感器的自动标定技术。

该技术将计算机控制、智能化、曲线拟合和误差分析引入到压力传感器的标定过程中,大幅度提高了标定的效率和可靠性。

经此技术标定过的压力探头,在使用中具有互换性,减轻了数据后处理工作的难度。

关键词:压力传感器;智能探头;标定;归一化;误差分析中图分类号:P 204 文献标识码:B 文章编号:1671-3044(2007)04-0078-031 引 言对压力测量设备的关键部件压力传感器的标定是保证设备精度的最重要环节。

装备选用的压力传感器一般具有良好的静态精度和动态性能,能够满足设备的战技指标。

但压力传感器在测量设备中使用环境发生变化,例如,模拟信号放大电路和数字变换电路会使信号产生失真,供电电路电磁干扰、电缆对信号衰减等会造成静态线性偏差、零点漂移和灵敏度漂移,因此有必要对压力传感器进行二次标定以补偿其新增不确定度,这种在仿真使用环境下的标定称之为现场标定。

2 通用标定方式的缺陷通用压力传感器的标定方式是由测力计提供一系列标准压力,例如活塞式压力计的标准砝码系列,加至传感器,根据传感器AD 变换电路的输出类型,由标准计量仪表读取对应数值,由此建立起压力传感器在使用环境下的输入输出函数关系。

其实现框图由图1所示。

图1 通用标定平台功能框图通用标定方式存在以下问题:(1)数据获取困难:获取数据依赖于人工观测和人工记录,读取数据的一致性较差。

(2)解算标定参数过程繁琐:解算标定参数需先将大量数据人工录入计算机,录入和复核工作非常繁琐和耗时。

(3)标定现场不能评估标定质量:由于标定过程和参数解算分开进行,只有在对标定参数进行误差分析过程中才能对标定质量进行评估。

(4)标定参数的使用不方便:标定参数用来对设备的实际测量数据进行补偿。

通常做法是将标定参数保存在计算机配置文件中,由数据后处理软件调用;这种数据补偿方式增加了数据后处理工作的复杂程度。

尤其同时对多台设备进行数据处理时标定参数的匹配容易发生错误。

(5)计量仪表维护成本高:活塞压力计等机械式计量仪表,维护保养工作成本较高。

基于以上原因,需要从根本上对现有的标定仪表、标定手段和标定方式进行改进。

3 技术对策针对通用标定方式存在的问题,首先对压力传感器进行智能化改造,使其成为能够输出和接收数据并具有信息处理能力的智能探头;然后搭建一个简易、便携、低成本和自动化程度高的对智能探头进行标定的平台。

通过此平台,能够对标定过程进行规划和控制,由计算机现场采集和存储数据;计算机对同步采集的受检传感器和标准计量仪表的压力数据进行线性拟合处理,拟合曲线的特征值即为受检第4期王莉娜,等压力传感器的自动标定技术传感器的标定参数;将标定参数置入智能探头,使其在实际测量中能够输出与自身特性无关归一化数据。

4系统组成411智能探头41111智能探头的结构智能探头是一个以嵌入式计算机为核心的数据采集和处理系统,包括8位单片计算机、压力传感器和温度传感器模拟信号接收和调理电路、数字转换电路、通讯接口电路和电源管理电路。

探头通过密封电缆与上位机连接,电缆对探头供电和提供通讯通道;探头受压嘴可以在标定时直接接入标准压力源气压端口。

41112智能探头功能(1)数据采集和模数转换:每秒50次采集压力传感器数据,并对数据进行平滑处理;(2)具有信息处理能力:标定参数置入内部存储器,实时修正测量数据,实现探头的一致性和互换性;(3)通用数字接口:RS485串行数字输出压力传感器数据和温度传感器数据,可方便接入不同数据处理平台;(4)功耗可控制:通过对电源实施管理,实现启动和休眠的交替工作,大幅降低平均功耗。

412数字气压表标定平台采用高精度数字式压力表作为检测和校准压力传感器计量器具。

压力表具有极高线性度和稳定度的石英晶体谐振参考压力模块Q-RPT,可根据受检压力传感器的量程选用不同的一只或两只Q-RPT模块,分别进行绝压、表压或负压检测;压力表可以屏幕显示和通过通用数字接口输出受压值,精度达到01008%Fs;可以灵活设置输出数据的压力单位,提示压力稳定状态,其高精度和易操作的特点完全满足标定平台的检定要求。

413气压源和压力传递装置标定平台对压力源和气压传递装置的基本要求:提供稳定压力以及方便气压调节。

压力传递装置至少拥有两个以上压力引出端口,接入受检压力传感器和数字气压表,压力表应安装在离压力源较远端的压力引出端口上。

这是因为压力传递使用截面有限管路,传递存在滞后,当压力传到压力表时,受检压力传感器已经提前被施加压力,这样压力表的压力读数能准确地反映受检传感器所施加压力。

414专用标定控制软件采用M icroo ft V isual C++语言自主开发的专用标定软件,软件具有以下主要功能。

(1)数据采集与记录:计算机通过RS232和RS 485串口转换模块,采集智能探头和数字压力表的输出数据,将数据平均后存储。

(2)数据分析:对数据进行曲线拟和,绘出拟和误差曲线或图表,提供数据编辑功能,利用此功能,可以剔除奇异数,提高精度。

(3)窗口显示:在直角坐标系中显示压力变化曲线。

(4)误差检验:绘制误差曲线获取最大偏差,评估标定结果是否满足精度要求;如果误差超标,可以重新标定。

(5)结果应用:将标定参数下载到探头,使探头输出归一化的测量数据。

5标定过程将系统的气路和电路接口正确连结后,标定过程如下。

(1)在受检探头量程内选定至少5个检定点压力。

(2)气源从标准大气压开始升压依次提供每个检定点压力,在压力稳定时计算机采集和存储智能探头和数字压力表输出数据,同时显示压力折线。

(3)从最高检定点压力降压至标准大气压并重复上述操作。

(4)对采集数据做曲线拟合,曲线系数作为标定参数。

(5)绘制误差曲线,获得最大误差。

(6)如果误差低于精度指标,将标定参数置入探头,使其能够修正测量时误差。

智能探头通过标定,确定了输入输出函数关系,将探头对压力的测量归算到标准压力输出,即具有了与自身特性无关的归一化输出能力。

6结论压力传感器自动标定技术运用计算机控制和智能化处理,解决了标定中人工观测和手工记录的难题;通过将标定参数置入受检探头使其具有归一化输出能力,简化了数据后处理工作。

为测量设备生产和维护提供了一个高效率、高质量、高可靠性和低成本的标定手段。

标定后的智能探头在国家海洋计量站压力试验室高精度活塞压力计上进行了比对,数据符合度相当高,最大偏差016hPa(相当标准水79海洋测绘第27卷深016c m),验证了自动标定技术的有效性。

该项技术在HYC-01A型便携式验潮仪的生产中获得了成功应用。

参考文献:[1]马忠梅,刘滨,戚军,等.单片机C语言W I ND OW S环境编程宝典[M].北京:航空航天大学出版社,2003.[2]ATM EL C o rpo ra tion.8-bit AV R M i c ro con tro ller w ith2K By tes In s y ste m prog ra mm ab l e F lash A T ti ny2313 REV2543H-A VR-02/05.[3]陈必红.用C++语言编写数学常用算法[M].北京:人民邮电出版社,2000.A ut o-ca li brati on T echni que for t he Pressure Senso rW ANG L-i na,ZHAO X i a n-l o ng,RUAN Ru,i YAN X iao-m ing(N aval I nstitute of H ydr ographic Survey i ng and Charti ng,T i anji n,300061)Abstr ac:t Consideri ng the present status,such as m anual oper ation,l ow ef ficie ncy,difficult t o contr o l and co m plicated handling of ca libration results of cali bration for t he pressure sensor duri ng the process of producinga nd m ai ntai ning of t he pressure survey equi p m en,t an auto-cali br ation tec hnique for t he pressur e se nsor isexplored.In w hic h them ethods of co m puter c ontro,l inte lli gence,curve f itting and error a nal y sis are integ r ated i n the cali brati on o f pressure sens o r.A s t he resul,t t he pressure pr obe calibrated by usi ng this tec hnique has t he exc hangeable functi on a nd decreases t he diff ic ult y of data post pr ocessi ng.Key wo r ds:pressur e se nsor;i ntelligentized pr obe;calibrati on;unitary;error a na l y sis(上接第56页)The D esign and R ea li zati on o f G round M onit o r andN av i gati on Sy ste m fo rU AV Based on G ISX I ONG Z-i m i n g1,GE W en2(1.U niversity of I nternati onal Relati ons,N a nji ng,Jia ng su,210039;2.I nstitute of Sur vey i ng and M appi ng,I nfor m ation Eng i neeri ng U niversit y,Z hengzhou,Henan,450052)Abstr ac:t Based on ana l yz i ng the f l y i ng data character i n the field of UAV,the pa per desi gns and realizesa suit of perfectl y functi onal g r ound m onitor a nd nav i gati on sy ste m for UAV.T he sy ste m m ai n l y acco m plishesthe functi onal m odule o f UAV f l y i ng state rea-l ti m e dis play,flight course layou,t fli ght c ourse playback and so on.Electronic m ap in vect o r for m at is loaded i nto the syste m by G I S tec hno l ogy,and groundm onitor is realized assistantly w ith ple nty o f geographic info r m ati on.I n the V is ual C++6.0env ir on m en,t t he syste m realizes t he co mm unication w ith the ground contr o l station by usi ng seri a l port co mm unicati on base d on async hr onous m odea nd even-t dri ven m ode,realizes t he m ap data contr o lling by usi ng m ap contr o l file and r ea lizes t he rea-l ti m erefres h i ng of v ie w.The syste m runs w e ll and is prov i ded w ith good practicabl y.Key wo r ds:G I S;G PS;et her ne;t UAV;f lying data;displ ay cache80。