李埃榮 王軍 盧建陽(yáng) 劉志軍

摘 要：壓阻式壓力傳感器在汽車行業(yè)的使用中非常廣泛，這一傳感器的性能直接影響到了汽車的性能以及安全。目前我國(guó)所設(shè)計(jì)制作的壓力傳感器大多需要耗費(fèi)較高的成本，而且精度上也達(dá)不到預(yù)期的效果。本文從壓阻式壓力傳感器的補(bǔ)償校準(zhǔn)方法出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行一定的了解，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更優(yōu)的校準(zhǔn)系統(tǒng)，最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示數(shù)據(jù)精度更高，這也體現(xiàn)了該設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：車用壓力傳感器 自動(dòng)化 校準(zhǔn)系統(tǒng)

壓力傳感器對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)是非常重要的一個(gè)組成部分，該設(shè)備是采用的半導(dǎo)體材料進(jìn)行制作的，所以非常容易受到溫度的影響，對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)是非常有必要的。而這一溫度補(bǔ)償?shù)木纫仓苯拥挠绊懙搅藟毫鞲衅鞯男阅?，進(jìn)而也影響到了汽車的使用。傳統(tǒng)的補(bǔ)償校準(zhǔn)多是通過(guò)手動(dòng)來(lái)完成的，這也使得校準(zhǔn)結(jié)果有著較大的不確定性，所以本文設(shè)計(jì)了壓力自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)，旨在解決這一補(bǔ)償校準(zhǔn)精度問(wèn)題。

1 壓阻式壓力傳感器的補(bǔ)償校準(zhǔn)方法

1.1 硬件補(bǔ)償

硬件補(bǔ)償多是采用的結(jié)構(gòu)對(duì)稱的方式，這一補(bǔ)償方式是要求在校準(zhǔn)的裝置中添加相應(yīng)的附加電路，最終形成與溫度漂移大小差不多的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果。硬件補(bǔ)償有著較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，但是容易受到外界因素的干擾，所以只能夠選取一個(gè)部分進(jìn)行補(bǔ)償，在調(diào)整過(guò)程中也較為麻煩。近幾年來(lái)，也有著不少的科研人員對(duì)這一補(bǔ)償方式進(jìn)行了研究，但是卻并未有所突破，該種方法只能夠?qū)ο到y(tǒng)誤差以及已經(jīng)了解到的誤差起到作用，對(duì)于一些隨機(jī)產(chǎn)生的誤差作用不大。

1.2 軟件補(bǔ)償

軟件補(bǔ)償與硬件補(bǔ)償不同的是，不能夠?qū)τ布线M(jìn)行操作，而是將壓力傳感器以及處理模塊做成一個(gè)整體，利用各種運(yùn)算以及處理功能，對(duì)壓力傳感器中的溫度進(jìn)行補(bǔ)償，這一方式不僅能夠?qū)囟冗M(jìn)行補(bǔ)償，而且能夠?qū)鞲衅髦械囊恍┲笜?biāo)進(jìn)行完善，使得測(cè)量緊固更高，也能夠有效的保持溫度穩(wěn)定。相對(duì)來(lái)說(shuō)，軟件補(bǔ)償精度更高，而且成本較低，實(shí)時(shí)性也更強(qiáng)，能夠及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整，所以選擇軟件補(bǔ)償更加的實(shí)用。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中壓力傳感器是重點(diǎn)所在，除此之外，還有工業(yè)控制機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡等系統(tǒng)，以下是校準(zhǔn)系統(tǒng)的各個(gè)模塊設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)采集與控制模塊

在本次設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集選擇的是研華PCI-1716這一板卡，它有著16位的A/D轉(zhuǎn)化器，而且采集的速率也高達(dá)100kHz，能夠快速的獲取到數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)具有一定的實(shí)時(shí)性，有著較高的精度。當(dāng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號(hào)之后，將該信號(hào)接入到數(shù)據(jù)采集中的輸入端，將數(shù)據(jù)傳入到上位機(jī)中，在該過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，最終得出測(cè)試結(jié)果。與此同時(shí)，也要控制電磁閥的狀態(tài)。控制模塊中多是通過(guò)上位機(jī)以及單片機(jī)進(jìn)行控制，這一模塊的主要功能是要求上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行一個(gè)整體的控制，而單片機(jī)則是負(fù)責(zé)校準(zhǔn)中的通信控制。

2.2 壓力控制模塊

壓力控制主要包括兩個(gè)方面，一是硬件，二是軟件。硬件部分中的壓力控制又分為粗調(diào)和細(xì)調(diào)，若是選擇粗調(diào)，就選用比例閥來(lái)完成這一控制過(guò)程，而細(xì)調(diào)則是需要通過(guò)兩種方式同時(shí)進(jìn)行。在進(jìn)行控制的過(guò)程中，首先需要采用粗調(diào)將壓力控制在形應(yīng)的設(shè)定值附近，之后才能夠進(jìn)行細(xì)調(diào)。壓力控制的軟件部分需要采用PID控制器或者模糊控制，這也是如今使用的較多的兩種方式。PID控制算法較為簡(jiǎn)單，而且有著較高的可靠性，但面對(duì)一些較為復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，并不能完全的進(jìn)行控制。而模糊控制相對(duì)來(lái)說(shuō)適應(yīng)性較強(qiáng)，所以將這兩種方式進(jìn)行結(jié)合能夠優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，達(dá)到良好的壓力控制效果。

2.3 溫度控制模塊

在硬件以及軟件方面也有著不同的溫度控制方式。首先在硬件部分多是采用的高低溫箱進(jìn)行溫度控制，這一溫度控制的范圍多是在零下40度到150度之間。在進(jìn)行溫度控制時(shí)，采用的是韓國(guó)的“TEMI-990”這一系統(tǒng)，這一系統(tǒng)有著獨(dú)特的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，而且能夠通過(guò)配置PS232來(lái)擴(kuò)展功能，也能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。軟件部分多是采用的RS232這一接口，使得上位機(jī)能夠?qū)囟冗M(jìn)行控制。

2.4 數(shù)字化壓力傳感器溫度補(bǔ)償模塊

數(shù)字化的壓力傳感器這一系統(tǒng)最終要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。而所提到的壓力控制以及溫度控制也是為了能夠獲取到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使得這一模塊中的補(bǔ)償精度更高。數(shù)字化壓力傳感器的補(bǔ)償過(guò)程分為預(yù)先測(cè)試、補(bǔ)償系數(shù)寫(xiě)入、最終補(bǔ)償這三個(gè)部分，預(yù)先測(cè)試這一階段主要是使用一些專用的電路來(lái)對(duì)每個(gè)溫度的系數(shù)進(jìn)行測(cè)試修正，而補(bǔ)償系數(shù)寫(xiě)入則是要在溫度進(jìn)行補(bǔ)償之后，將生成的相關(guān)系數(shù)寫(xiě)入到外部的存儲(chǔ)器上。而最終的溫度補(bǔ)償則是在補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，對(duì)溫度變化進(jìn)行細(xì)致的觀察，最終檢測(cè)出相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)，并存儲(chǔ)到寄存器中。

3 軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到虛擬儀器技術(shù)能夠縮短周期，所以選擇了利用這一技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本文使用的平臺(tái)為Matlab以及LABVIEW，最終對(duì)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、壓力控制等各個(gè)功能。除此之外，本次設(shè)計(jì)還調(diào)用了vi的這一模式來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，將各個(gè)功能單獨(dú)的實(shí)現(xiàn)，最終交給主程序進(jìn)行處理。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

4.1 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用到了汽車用壓力傳感器ICS1451，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理分析。該實(shí)驗(yàn)最終顯示經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后，傳感器的數(shù)據(jù)誤差顯然小了很多。本次測(cè)試了五組數(shù)據(jù)，補(bǔ)償之前的誤差分被為0.0522、-0.0341、0.0244、0.0680、0.0208，而補(bǔ)償之后的誤差為-0。0032、0.0008、-0.0021、0.0018、0.0003，可見(jiàn)在進(jìn)行補(bǔ)償之后的誤差精度有了明顯的提高，這也能夠說(shuō)明該設(shè)計(jì)的可行性。

4.2 系統(tǒng)評(píng)定

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，最終根據(jù)我國(guó)的機(jī)械行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了一定的評(píng)測(cè)。首先對(duì)其測(cè)量能力指數(shù)進(jìn)行了測(cè)算，該測(cè)算是要將樣板在設(shè)備上反復(fù)的進(jìn)行安裝之后，測(cè)試其標(biāo)準(zhǔn)偏差，最終得到的測(cè)量能力指數(shù)為3.01，該數(shù)據(jù)大于2，說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的裝置符合相應(yīng)的規(guī)范。既能夠達(dá)到更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，減少了誤差，而且符合相應(yīng)的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明該系統(tǒng)是具有著很高的實(shí)用性的，并在一定程度上，能夠有效的提高車用壓力傳感器的性能，同時(shí)能夠有效的提高汽車的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)補(bǔ)償校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究了解，最終設(shè)計(jì)出車用壓力傳感器自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)，最終這一系統(tǒng)通過(guò)了相關(guān)的檢測(cè)評(píng)定。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)有著較高的精準(zhǔn)度，而且誤差也穩(wěn)定在了0.1%以內(nèi)，所以該設(shè)計(jì)是有著一定的實(shí)用性的。另外該系統(tǒng)在使用過(guò)程中，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，所以效率上有著一定的保證，極大的減小了汽車生產(chǎn)過(guò)程中的壓力。這一自動(dòng)化系統(tǒng)還能夠自主的對(duì)壓力與溫度進(jìn)行控制，而且能夠達(dá)到相關(guān)的要求規(guī)范，所以完全可以應(yīng)用于汽車壓力傳感器的校準(zhǔn)中。

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