具有温度补偿功能的智能压力传感器系统
第２９卷第９期２００８年９月
仪器仪
表学
报
ＶｏＩ．２９Ｎｏ．９Ｓｅｐ．２００８
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｍａＪｏｆＳｅｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
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７１００４８；
２宝鸡巾．渭滨华瑞传感器技术研究所宝鸡７２１００６）
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『ｆＩｉ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：ＴＰ２１２．６
文献标识码：Ａ
国家标准学科分类代码：４６０．４０２０
Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
Ｌｉ
Ｑｉａｎ９１，ＬｉａｎｇＬｉｌ，ＬｉｕＺｈｅｎｌ，ＭａＪｉｎｇ‘，ＴｉａｎＬｅｉｌ，ＦｅｎｇＴａ０２
ｔｌｘ≯ａｒｔ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
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ＢａｏＪｉｓＷｅｉＢｉｎＨｎａＲｕｉＳｅｎｓｏｒＪｉＳｈｕＹａｎＪｉｕＳｕｏ，Ｂａｏｊｉ７２１００６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｍａｉｎｌｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒ
ｕｓｅ
ａｎ
ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓ
ｉｎｍｉｎｅｓ．Ｉｎｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃａｐａｂｌｅｏｆｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇｐｅｒｉｏｄｉｃｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ａ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｍｉｎｅ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ６ｕｓｆｏｒｔｈｅ
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ｍｉｎｅ．
存在电路复杂、调试困难、精度低、通用性差、成本高等缺
ｌ
引言
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Ｂｊ。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ｕ１：１）查表法２）ＢＰ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，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。
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。但用硬件电路进行校正大都
收稿Ｈ期：２００７－０６
ＲｅｃｅｉｖｅｄＤａｔｅ：２００７－０６
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
１９３５
２智能压力传感器系统
２．１硬件组成
系统采用低功耗的１６位单片机ＭＳＰ４３０Ｆ２０１３作为中央处理器进行数据处理。存储芯片采用２４Ｃ６４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
Ｆｉｇ．１Ｓｙｓｔｅｍ
ｓＬｒｕｃｔｕｒｅ
ｄｉａｇｒａｍ
２．２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行补偿，算出准确的测量值ｐ１。
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
ＴＩ：Ｖ（Ｔｉ）＝／３０ｌ＋卢ＩＩＰ＋／３２Ｉ尸２＋岛ＩＰ＋反ｌＰ＋．８ｎｐ
工作温度
瓦：ｙ（瓦）＝风＋／３。２Ｐ＋如Ｐ＋＆尸３＋＆∥＋风Ｐ
；
；
；
万
方数据－Ｔ作温度
Ｌ：ｙ（瓦）＝风＋／３。。Ｐ＋应。Ｐ＋岛；Ｐ３＋凡Ｐ４＋岛ｉＰ５
（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（ｒ２）…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）式中方程式就可以确定了。
２）建直系数口的曲线拟合方程式
①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＝ＡＩＴ＋Ｂｌ严＋Ｃｌｒ＋ＤＩ
２次项系数：岛＝Ａ２Ｔ＋曰２严＋Ｃ２矿＋Ｄ２３次项系数：岛＝Ａ３Ｔ＋Ｂ３严＋Ｃ３ｒ＋Ｄ３４次项系数：反＝Ａ４Ｔ＋Ｂ４严＋Ｃ４矿＋Ｄ４～二，
５次项系数：卢，＝Ａ５Ｔ＋Ｂ严＋Ｃ５ｒ＋优０次项系数：风＝Ａｏ丁＋Ｂ。严＋Ｇｒ＋仇
通过式（１）中求得系数以及标定实验数据可以求得：
／３ＩＩ＝ＡｌＴＩ＋Ｂｌ砰＋ｃＩ砰＋Ｄｌ
口１２＝Ａｌ疋＋Ｂｌ《＋ＣｌＥ＋Ｄｌ
口１３＝Ａｌ瓦＋Ｂｌ《＋ＣｌＥ＋Ｄｔ
；
；
ｉ
届ｌｉ＝ＡＩｔ＋ＢＩ《＋Ｃｌ霉＋ＤＩ
可求得Ａ．，Ｂ．，Ｃ。，Ｄ。，通过最小二乘法求得系数，同理可求得Ａ０・・－Ａ，，Ｂｏ…毋，ｃ０…ｃ５，Ｄｏ…Ｄ５，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：ｆｌｏ，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’）＝／３０＋母ｌＰ＋母２Ｐ＋｜Ｂ３ｐ＋Ｂ４ｐ＋侈ｓｐ
。
（３）
根据式（３）的反线性特性，已知经传感器的输出量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。
１９３６
仪器仪表学报第２９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３０个压力输出值，５个温度数字量，６个实际压力值，通过曲线拟合法可得到２４个补偿系数．如图２所示。
图２上位机主界面
Ｆｉｇ．２Ｓｕｐｅｒｏｒｄｉｎａｔｉｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ
２．３．２二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，，Ｃｏ…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）＝ＵｔＴ）一９０＋ｐｌＰ＋ｐ２Ｐ＋岱，Ｐ＋母４ｐ＋９ｓｐ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ｆＣＰ’），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，Ｉ
Ｐ一＾Ｉ≤
Ｌ
竿＝ｂ川一吼＋。，当（吼＋．，ｂ川）的长度小于误差限８
ｎ
时，Ｐ＾近似等于Ｐ【ｓＪ。
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。
万
方数据ｌ冬｜３实验现场
Ｆｉｇ．３Ｔｅｓｔｉｎｇｌｏｃａｌｅ
３．１实验数据１
采用曲线拟合法求得Ｔ＝５０．０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）＝一１．９９５×１０６＋２．２６７×１０５Ｐ一７．４２２×
１０３尸２＋１００．４３６Ｐ３—０．５８９７Ｐ４＋１．２３×１０３Ｐ
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传感器标定实验数据１
Ｔａｂｌｅ１
Ｔ器ｔｄａｔａｏｆ
ｓｅｎｓｏｒ
ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ１
统计Ｔ＝５０．０时曲线拟合发的补偿误差，如表２所示。
表２误差分析表１
Ｔａｂｌｅ２Ｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓｔａｂｌｅ１
未加补偿（以４４度为例）如表３所示。
第９期李强等：具有温度补偿功能的智能压力传感器系统
１９３７
表３误差分析表２
Ｔａｂｌｅ３Ｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓｔａｂｌｅ２
３．２实验数据２
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２
Ｔａｂｌｅ４Ｔｅｓｔｄａｔａｏｆ
ｓｅｎｓｏｒ
ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ２
采用曲线拟合法求得Ｔ＝６０．０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）＝３７０＋
７２．０７６Ｐ＋０．１８６２Ｐ一１．３６×１０旬Ｐ３＋４．４２５×１０—６尸４一５．２８×１０’９Ｐ５
统计Ｔ＝６０．０时曲线拟合发的补偿误差，如表５
所示。
表５误差分析表３
Ｔａｂｌｅ５
Ｅｒｍｒ粕蚰ｙｓｉｓｔａｂ鹇
未加补偿略。
万
方数据４
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ｄｘ＿－乘法进行压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。
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梁莉．１９８２年于陕西机械学院获得学士学位．１９９１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
Ｅ・ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｌｉ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
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［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，２００６．２２（３）：２－３．
ＺＨＡＮＧＹ
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ｏｎ
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（３）：２－３．
ｎｘｉＭｅｃｈａｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
Ｃｏｌｌｅｇｅｉｎ１９８２。Ｇａｉｎｅｄ
ｍａｓｔｅｒｇｄｅｇｒｅｅｉｎＸｉ’ａｎ
作者简介
李强，ｉ９８２年于陕西机械学院获得学Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ１９９１．Ｎｏｗｂｅｉｎｇａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ
ｉｎＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｅｍ－
士学位．１９９１年于丙安理ｒ．大学获得硕士学位，现为两安理工大学副教授，主要研究方向为检测技术与自动化装置．
Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｉａｎｇｌｉ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ｌｉ
Ｑｉａｎｇｇａｉｎｅｄ
ｂａｃｈｅｌｏｒ’ｓ
ｄｅｇｒｅｅ
ｉｎ
Ｓｈａａｎｎｘｉ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｉｎ１９８２．Ｇａｉｎｅｄｍａｓｔｅｒ’ｓｄｅｇｒｅｅｉｎ
Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ１９９１．Ｎｏｗｂｅｉｎｇａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏ－
ｆｅｓｓｏｒｉｎＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ｉｓｄｅｔｅｃｔｉｖｅ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｄｅｖｉｃｅ
Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉａｎｇｌｉ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
万
方数据ｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｕｔｅｒｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｙ．
Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｌｉ＠ｘａｕｔ．ｅｄｕ．ｃａ
具有温度补偿功能的智能压力传感器系统
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
李强， 梁莉， 刘桢， 马婧， 田磊， 冯涛， Li Qiang， Liang Li， Liu Zhen， MaJing， Tian Lei， Feng Tao
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)仪器仪表学报
CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT2008,29(9)10次
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