具有温度补偿功能的智能压力传感器系统.pdf

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1、第2 9 卷第9 期2 0 0 8 年9 月仪器仪表学报C h i n e s eJ o u m a Jo fS e i e n t i f i cI n s t r u m e n tV o I 2 9N o 9S e p 2 0 0 8具有温度补偿功能的智能压力传感器系统李强1，梁莉1，刘桢1，马婧1，田磊1，冯涛2(1 西安理T 大学西安7 1 0 0 4 8；2 宝鸡巾渭滨华瑞传感器技术研究所宝鸡7 2 1 0 0 6)摘要：本文设计并实现了一种具自温度补偿功能的智能压力传感器系统，丰要适用于井下的工作。对井下的温度及压力信号进行了定时的采集，并把采集到的信号进行了储存，便于用户查淘一

2、段时间内井F 的丁作状态，同时对采集到的信号进行了处理，运用曲线拟合的方法进行埘采集压力信号进行补偿，从f I i 消除了温度变化对于压力采集信号的影响，更加准确的反映了井下压力真实的状况。关键词：最小二乘法；曲线拟合；压力传感器；温度补偿中图分类号：T P 2 1 2 6文献标识码：A国家标准学科分类代码：4 6 0 4 0 2 0I n t e l l i g e n tp r e s s u r es e n s o rs y s t e mw i t ht e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nL iQ i a n 9 1，L i a n

3、gL i l，L i uZ h e n l，M aJ i n g，T i a nL e i l，F e n gT a 0 2tlx a r t,U n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y。X r 帆7 1 0 0 4 8，C h i n a；2B a o J i sW e i B i nH n a R u iS e n s o rJ i S h uY a n J i u S u o，B a o j i7 2 1 0 0 6，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e rd e s c r i b e sa ni n

4、t e l l i g e n tp r e s s u r es e n s o rs y s t e mw i t ht e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n T h es y s t e mi sm a i n l ys u i t a b l ef o ru s ei nm i n e s I np a r t i c u l a r，t h es y s t e mi sc a p a b l eo fp e r f o r m i n gp e r i o d i cd a t aa c q u i s i t i o no ft h

5、 et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nam i n e T h es y s t e mi sa d v a n t a g e 6 u sf o rt h eu s e rt om o n i t o rt h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h em i n ep e r i o d i c a l l y M e a n w h i l et h es y s t e mU S e Sc u r v ef i t t i n gt oc o m p e n s a t et

6、 h ec o l l e c t e dp r e s s u r ed a t a，t h u se-l i m i n a t e st h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r ev a r i a t i o n s，a l l o w i n gt r u ei n d i c a t i o n so ft h er e a lp r e s s u r ec o n d i t i o n si nam i n e K e yw o r d s：l e a s ts q u a r em e t h o d s；c u r v ef

7、i t t i n g；p r e s s u r es e n s o r；c o m p e n s a t i n gt e m p e r a t u r el引言对于油井来说，采用应变式传感器检测压力，温度的变化会对压力采集信号产生一定的影响，所以为r 能更好地了解井下的情况，清楚地了解井下的压力和温度是很有必要的。目前油井在取温度和压力等数据时有测量精度低、容易存在人为误差、测试数据不连续、受电磁干扰等问题，目前补偿的方法主要分为硬件补偿和软件补偿两种。硬件补偿方法有：在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法，桥臂热敏电阻补偿法，桥外串、并联热敏电阻补偿法，双电桥补偿技术等。但用硬件电路进行

8、校正大都收稿H 期：2 0 0 7-0 6R e c e i v e dD a t e：2 0 0 7-0 6存在电路复杂、调试困难、精度低、通用性差、成本高等缺点，不利于丁程实际应用。软件补偿是将微处理器与压力传感器结合起来，充分利用丰富的软件功能、结合一定的补偿算法对传感器温度的附加误差进行修正B j。软件补偿的效果要比硬件补偿好，达到的精度更高，而且成本较低。软件补偿的算法有以下几种都町用于压力传感器热零点漂移的补偿u 1：1)查表法2)B P 神经网络算法3)曲线拟合算法。本文提出了一种基于最小二乘法进行压力传感器动态信息融合处理的方法。设计了具有标定、补偿和放大等功能的智能压力传感器

9、，在不同温度和不同压力下进行实验标定，并可对智能压力传感器的精度进行了实验验证”1。万方数据第9 期李强等：具有温度补偿功能的智能压力传感器系统1 9 3 52 智能压力传感器系统2 1 硬件组成系统采用低功耗的1 6 位单片机M S P 4 3 0 F 2 0 1 3 作为中央处理器进行数据处理。存储芯片采用2 4 C 6 4 存储芯片，用于存储采集时间、温度、压力等信号。串行通讯芯片用于用户对系统时间的设定以及数据的上传。系统加入了时钟芯片。前端放大器有效阻断干扰通道，提高了系统抗干扰能力。上佗机采用友好的人机界面为用户的使用提供方便。使用本装置后，在上位机对压力信号进行了补偿，消除了温度

10、对于压力的影响，适用于长期的对井下温度与压力信号的采集与存储。系统结构图如图l所示。图1 系统组成框图F i g 1S y s t e ms L r u c t u r ed i a g r a m2 2 温度曲线拟合法通过上位机软件实现综合补偿，使用的综合补偿方法是曲线拟合法，对于不同的丁作温度，传感器有不同的输入(P)一输出(y)特性。而如果能确定工作温度为r 时相应的P _ y 特性，并按其反非线性读取被测量，从原理上不存在温度引入的误差，所以通过曲线拟合法，可找出工作温度范围内非标定条件下的任一温度r 状态的输入(P)一输出(V)特性。通过最小二乘法算出补偿系数，在实践中又通过二分法进

11、行补偿，算出准确的测量值p 1。计算补偿系数的步骤：1)标定实验数据将不同温度t 条件下获得的输入(P)一输出(I，)特性用一维多项式方程表示出来：工作温度T I：V(T i)=3 0 l+卢I I P+3 2 I 尸2+岛I P+反l P+8 n p工作温度瓦：y(瓦)=风+3。2 P+如P+尸3+&+风P；-T 作温度L：y(瓦)=风+3。P+应。P+岛；P 3+凡P 4+岛i P 5(1)式中：风风分别是传感器在不同温度下的零压力输出值。V(T)、V(r 2)V(t)分别是对应不同温度零位修正后的传感器的输出值。利用标定实验数据可求解出各种温度条件下多项式方程的系数口，则(1)式中方程式

12、就可以确定了。2)建直系数口的曲线拟合方程式式中各个系数口随温度而变化的规律通常不是线性的，故也可用一维多项式方程表示为：1 次项系数：口l=A I T+B l 严+C l r+D I2 次项系数：岛=A 2 T+曰2 严+C 2 矿+D 23 次项系数：岛=A 3 T+B 3 严+C 3 r+D 34 次项系数：反=A 4 T+B 4 严+C 4 矿+D 4二，5 次项系数：卢，=A 5 T+B 严+C 5 r+优0 次项系数：风=A o 丁+B。严+G r+仇通过式(1)中求得系数以及标定实验数据可以求得：3 I I=A lT I+B l 砰+c I 砰+D l口1 2=A l 疋+B l

13、+C lE+D l口1 3=A l 瓦+B l+C l E+D t；i届l i=A I t+B I+C l 霉+D I可求得A，B，C。，D。，通过最小二乘法求得系数，同理可求得A 0-A，B o 毋，c 0 c 5，D o D 5，从而方程组式(2)则可被确定。3)确立工作温度r 时的P V 特征曲线拟合方程将温度传感器测得的温度r 代人到方程组(2)中，可计算出该工作温度状态的各项系数：f l o，卢，卢：，店，从而可确定工作温度r 时的P _ y 特性的一维多项方程式：V(T)=3 0+母l P+母2 P+|B 3 p+B 4 p+侈s p。(3)根据式(3)的反线性特性，已知经传感器的

14、输出量y，即可通过二分发求得传感器的输入量P。这个P 值是由它的1：作温度7 状态的输出y(r)一输入P 特性求解的，原理上不存在温度误差旧1。2 3 压力采集压力传感器系统采集上来的压力量和温度量都是数字量的，为了减小误差，所以曲线拟合法中的压力输出值和温度值都是数字量。用曲线拟合法算出补偿系数后，压力传感器系统采集到压力数字量和温度数字量就可以直接用二分法来算出实际的压力值1。万方数据1 9 3 6仪器仪表学报第2 9 卷2 3 1 实验标定补偿系数参数标定时，需要采集5 组温度和6 组压力下对应的压力输出值，为了消除压力零点漂移，其中压力必须有一组为0。采集完成后，得到了3 0 个压力输

15、出值，5 个温度数字量，6 个实际压力值，通过曲线拟合法可得到2 4个补偿系数如图2 所示。图2 上位机主界面F i g 2S u p e r o r d i n a t i o nc o m p u t e ri n t e r f a c e2 3 2 二分法计算补偿后的压力值当7 一定时，由曲线拟合法得到了补偿系数4。A，风B，C o C，D。D，所以由式(2)可以得到式(3)的系数风，卢，卢：，卢，反，尾，于是得到式(3)，又已知输出V(丁)和压力传感器的最大最小承受压力值a、6，用二分法得到补偿后的实际压力值P。设：八P)=U t T)一9 0+p l P+p 2 P+岱，P+母4

16、p+9 s p由于八P)在压力传感器的量程范围 n，6 是连续的，且不妨设厂(口)以b)0(或0)，则(a，b)(或 a，b )为方程的有根区间。采用在有限区间中，取中值点P=(口+6)，计算中值点的函数值f C P)，检查以n)与以P)是否同号，如果同号，说明根P 在中间点右侧(P 与6 之间)，此时令a。=P，b=b；如果异号，说明根P 在中间点左侧(a 与P 之间)，此时令a。=o，b。=P，即得新区间(口。，b。)，：生玉，IP 一 I Ln竿=b 川一吼+。，当(吼+，b 川)的长度小于误差限8时，P 近似等于P【s J。3 实验过程与结果本文采用了标准的温度控制实验箱和压力标定器进

17、行了实验标定。安装好后首先采集常温时，不同压力下传感器采集的数字量；然后升温，达到一定的温度下再采集不同的压力下的数字量，实验现场如图3 所示。l 冬|3 实验现场F i g 3T e s t i n gl o c a l e3 1 实验数据1采用曲线拟合法求得T=5 0 0 时的传感器输入一输出特性的5 阶多项式，曲线拟合方程为：V(T)=一1 9 9 5 1 0 6+2 2 6 7 1 0 5 P 一7 4 2 2 1 0 3 尸2+1 0 0 4 3 6 P 3 0 5 8 97 P 4+1 2 3 1 0 3 P工作温度逐渐上升时候，不同压力时输入一输出特性如表l 所示。表1 传感器标

18、定实验数据1T a b l e1T 器td a t ao fs e n s o rc a l i b r a t i o n1统计T=5 0 0 时曲线拟合发的补偿误差，如表2所示。表2 误差分析表1T a b l e 2E r r o ra n a l y s i st a b l e1未加补偿(以4 4 度为例)如表3 所示。万方数据第9 期李强等：具有温度补偿功能的智能压力传感器系统1 9 3 7表3 误差分析表2T a b l e 3E r r o ra n a l y s i st a b l e24结论本次设计的具有温度补偿功能的智能压力传感器系统，运用基于最d x _-乘法进行压

19、力传感器动态信息融合处理方法，充分发挥单片机控制，运算以及数据处理等功能，大大提高了压力传感器的测量精度以及稳定性，其他性能也有明显改善，实践数据表明误差达到要求，实现了压力传感器的智能化。3 2 实验数据2【1 丁作温度逐渐下降时候，不同压力时输入一输出特性如表4 所示：表4 传感器标定实验数据2T a b l e 4T e s td a t ao fs e n s o rc a l i b r a t i o n2 2 3 4 采用曲线拟合法求得T=6 0 0 时的传感器输入一输出特性的5 阶多项式，曲线拟合方程为：V(T)=3 7 0+7 2 0 7 6 P+0 1 8 6 2 P 一1

20、 3 6 1 0 旬P 3+4 4 2 5 1 0 6 尸4 一r515 2 8 1 0 9 P 5统计T=6 0 0 时曲线拟合发的补偿误差，如表5所示。表5 误差分析表3T a b l e 5E r m r 粕蚰y s i st a b 鹇 6 未加补偿略。7 参考文献刘君华智能传感器系统 M 两安：电子科技大学出版社，2 0 0 4：2 0 6-2 0 9 L I UJH T h ei n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e m M X i a n X i d i a nU n i v e r s i t yB o o kC o n c e r n

21、，2 0 0 4：2 0 6-2 0 9 孙以材，刘苄岭孟庆浩，等自平衡电桥激励的压力传感器零点输f I 信号的电漂移特性 J 电子学报，2 0 0 0：1 1，3 9-4 2 S U NYC，I UYL M E M GQH，e ta 1 A u t ob a l a n c ed e c-t r o m o t i v ef o r c eb r i d g ep r o m p t i n gp r e s s u r es e n s o rz e r oo u t p u ts i g n a le l e c t r i c a le x c u r s i o nc h a r a

22、 c t e r i s t i c J E l e c t r o nT r a n s a c t i o n。2 0 0 0：11，3 9-4 2 宫云梅智能压力传感器数据的补偿处理及无线传输 D 河北：河北工业大学，2 0 0 6 G O N GYM T h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r e8 e n$o rd a t ae o m p e n-s a t i n gd i s p o s ea n dw i r e l e s st r a n s f e r s D H e B e i：H e B e iU n i v e r s i t

23、yo f7 F e e h n o l o g y，2 0 0 6 郑|曰良传感器非线性处理方法 J 传感器技术：1 9 9 1，1：4 0-4 3 Z H E N G EGL S e n s o rm i s a l i g n m e n tp r o c e s s i n gm e t h o d J S e n s o rT e c h n o l o g y，1 9 9 1，1：4 0 4 3 倪文军，彭刚汇编和C 语言函数混合编程的一种方法 J 水道港L 1，2 0 0 4(S I)：1 2 8-1 3 0 N IWJ P E N GG A s s e m b l ya n dC

24、l a n g u a g ef u n c t i o nm i xp r o g r a m m i n go n em e t h o d J C a n a lh a r b o r，2 0 0 4(S u p p l I)：1 2 8-1 3 0 周呜争，楚宁一种基于能量约束的传感器网络动态数据融合算法 J 仪器仪表学报2 0 0 7。2 8(i)：1 7 2 1 7 5 Z H O UMZ H，C H UN T h ek i n dc o n t r o la c c o r d i n gt ot h ee n e r g yo fs p r e a dt h ef e e l

25、i n gm a c h i n ed a t af u s i o no ft h en e t w o r kd y n a m i cs t a t ec a l c u l a t ew a y J C h i n e s eJ o u r n a lo fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n t，2 0 f f 7，2 8(1)：1 7 2 1 7 5 曹建荣。刘辉人工神经网络在电容式压力传感器设计上的应用 J 自动化仪表，2 0 0 2，2 3(8)：1 4 1 6 C A OJR U UH T h ea r t i f i c i a ln e

26、 r v en e t w o r ks p r e a d saf e e l i n gm a c h i n ead e s i g na tt h ee l e c t r i cc a p a c i t y t y p ep r e s s u r eo fa p p l i c a t i o n J A u t o m a t i z a t i o nI n s t r u m e n t。万方数据1 9 3 8仪器仪表学报第29 卷2 0 0 2 2 3(8)：1 4 1 6 8 张自凤。王钦若，张慧基于压力检测的高精度数据采集系统 J 陕西理一：学院学报，2 0 0 6

27、2 2(3)：2-3 Z H A N G YF，W A N GQR，Z H A N GH T h eh i g hp r e c i-s i o nd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s eo np r e s s u r ed e t e c t J S h a n n x iA c a d e m yo f7 r e c h n o l o g yT r a n s a c t i o n，2 0 0 6，2 2(3)：2-3 作者简介李强，i 9 8 2 年于陕西机械学院获得学士学位1 9 9 1 年于丙安理r 大学获得硕士学位，现为两安理工

28、大学副教授，主要研究方向为检测技术与自动化装置E m a i l：q i a n g l i x a u t e d u c nL iQ i a n gg a i n e db a c h e l o r sd e g r e ei nS h a a n n x iM e c h a n i c a lC o l l e g ei n1 9 8 2 G a i n e dm a s t e r sd e g r e ei nX i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yi n1 9 9 1 N o wb e i n ga s s o c i a

29、 t ep r o-f e s s o ri nX i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y M a i n l ys t u d yd i r e c t i o ni sd e t e c t i v et e c h n o l o g ya n da u t o m a t i cd e v i c eE-m a i l：q i a n g l i x a u t e d u c n梁莉1 9 8 2 年于陕西机械学院获得学士学位1 9 9 1 年于西安理一r 大学获得硕士学位，现为两安理丁大学副教授，主要研究方向嵌入式计算机系统应用

30、E m a i l：l i a n g l i x a u t e d u c nL i a n gL ig a i n e db a c h e l o r sd e g r e ei nS h a a n-n x iM e c h a n i c a lC o l l e g ei n1 9 8 2。G a i n e dm a s t e r gd e g r e ei nX i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yi n1 9 9 1 N o wb e i n ga s s o c i a t ep r o f e s s o ri

31、nX i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y M a i n l ys t u d yd i r e c t i o ni se m-b e d d e ds y s t e mc o m p u t e rs y s t e ma p p l y E m a i l：l i a n g l i x a u t e d u c a 万方数据具有温度补偿功能的智能压力传感器系统具有温度补偿功能的智能压力传感器系统作者：李强，梁莉，刘桢，马婧，田磊，冯涛，Li Qiang，Liang Li，Liu Zhen，MaJing，Tian Lei，Fe

32、ng Tao作者单位：李强,梁莉,刘桢,马婧,田磊,Li Qiang,Liang Li,Liu Zhen,Ma Jing,Tian Lei(西安理工大学,西安,710048)，冯涛,Feng Tao(宝鸡市渭滨华瑞传感器技术研究所,宝鸡,721006)刊名：仪器仪表学报英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT年，卷(期)：2008,29(9)被引用次数：10次 参考文献(8条)参考文献(8条)1.刘君华 智能传感器系统 20042.张有凤;王钦若;张慧 基于压力检测的高精度数据采集系统期刊论文-陕西理工学院学报（自然科学版）2006(03)3.

33、曹建荣;刘辉 人工神经网络在电容式压力传感器设计上的应用期刊论文-自动化仪表 2002(08)4.周鸣争;楚宁 一种基于能量约束的传感器网络动态数据融合算法期刊论文-仪器仪表学报 2007(01)5.倪文军;彭刚 汇编和C语言函数混合编程的一种方法期刊论文-水道港口 2004(z1)6.郑国良 传感器非线性处理方法 19917.宫云梅 智能压力传感器数据的补偿处理及无线传输 20068.孙以材;刘玉岭;孟庆浩 自平衡电桥激励的压力传感器零点输出信号的电漂移特性期刊论文-电子学报2000(11)引证文献(10条)引证文献(10条)1.江东.杨嘉祥 Z-力敏传感器分段线性化法补偿期刊论文-仪器仪表

34、学报 2010(2)2.惠国华.陈裕泉 基于碳纳米管微传感器阵列和随机共振的气体检测方法研究期刊论文-传感技术学报 2010(2)3.肖继学.杨瑜.王凯.李世玺 基于相关分析的交流电力有功功率测试研究期刊论文-西华大学学报（自然科学版）2010(4)4.王悦.叶海明.颜骥 LabWindows/CVI下基于BP神经网络的温度补偿虚拟湿度测量系统设计期刊论文-国外电子测量技术 2010(1)5.肖继学.杨瑜.王凯 交流电力智能传感器中功率的一种高效测试方法期刊论文-测控技术 2010(7)6.肖继学.杨瑜.王凯.李世玺 交流电力功率智能传感器中信号处理的相关性分析期刊论文-测控技术 2010(9)7.白慧静.赵建平 基于P89LPC938的智能型油压测试仪期刊论文-仪表技术与传感器 2010(12)8.李世维.刘君华.王群书 基于一种再生小波核的SVR在降低多传感器交叉敏感中的应用期刊论文-仪器仪表学报2009(12)9.李世维.刘君华.王群书 降低多传感器交叉敏感的法方程组方法期刊论文-西安交通大学学报 2009(6)10.孔庆霞.朱全银 基于DS18B20的远距离分布式温度数据采集系统,期刊论文-电子测量技术 2009(4)本文链接：http:/