油缸壓力實時監(jiān)測系統(tǒng)溫漂誤差精確補償方法

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，特種車輛的性能越來越高，系統(tǒng)構(gòu)成越來越復雜、精密，采用嵌入式傳感器實現(xiàn)眾多工況參數(shù)的實時在線監(jiān)測，是未來車輛狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢[1]。同時由于車輛結(jié)構(gòu)的緊湊，要求實現(xiàn)小型嵌入式傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。否則，許多故障點無法直接監(jiān)測，只能通過測量外圍相關(guān)參數(shù)換算得到，換算結(jié)果的正確與否不得而知，從而可能導致更大的經(jīng)濟損失。隨著微電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，使小型壓力監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。本文采用先進的壓力傳感器器件，結(jié)合精密放大電路和低功耗高性能處理器，構(gòu)成嵌入式特種車輛行星變速機構(gòu)操縱壓力實時監(jiān)測系統(tǒng)，并通過測量電路和補償算法的綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)的高精度誤差補償。

1 嵌入式壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟硬補償方法實現(xiàn)

1.1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)簡介

特種車輛的行星變速機構(gòu)位于綜合傳動裝置大箱體內(nèi)，周圍空間狹小而且部分浸泡在潤滑油中，溫度高達135 ℃。通過論證，選擇一種小型隔離膜片式壓力傳感器，并將其安裝在油缸附件的油道上，通過精密儀表放大器將信號放大后，采用高有效位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其量化，并用ATMEL公司的AVR系列微控制器（MCU）[2]完成數(shù)據(jù)處理，再通過CAN2.0總線將處理結(jié)果提供給操作人員，以達到保護車輛綜合傳動裝置的目的。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

由于系統(tǒng)工作溫度范圍比較寬(-20 ℃~135 ℃)，因此溫度變化對系統(tǒng)的測量誤差影響最大，本文著重研究并實現(xiàn)了由于溫度漂移引起的測量誤差的補償處理方法[3]。整個系統(tǒng)的補償方法包括電路硬補償和算法軟補償兩部分，硬補償包含傳感器本身的工藝調(diào)制補償和放大電路補償；軟補償是通過在MCU內(nèi)嵌入B樣條溫度補償算法來實現(xiàn)。

1.2 硬補償電路設(shè)計

系統(tǒng)采用硅壓阻式壓力傳感器，它具有體積小、靈敏度高、分辨率高等特點，被廣泛采用。但溫度漂移是硅壓阻式傳感器的最大弱點，它包括零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移。由于組成電橋的4個電阻的阻值不可能完全一致，當輸入壓力為零時，電橋輸出不為零，具有零點偏移。靈敏度溫度漂移主要是由半導體材料的壓阻系數(shù)隨溫度的變化而發(fā)生變化造成的，一般地說，壓阻式傳感器的靈敏度隨溫度的升高而下降[4]。

本系統(tǒng)選用美國某公司的小型硅壓阻式傳感器，其最大量程為300 psi(1 psi=6.895 kPa)，輸出電壓為0~100 mV，非線性度為±0.1%。傳感器通過對陶瓷基座上的厚膜電阻進行激光修阻，實現(xiàn)對傳感器的溫度補償及零點偏差調(diào)整。其內(nèi)部提供的激光修正電阻用來調(diào)節(jié)外部放大器的增益，從而保證傳感器±0.1%互換性量程，電路原理圖如圖2所示。

由于傳感器最小分辨率為微伏級，極易在傳輸和測量時產(chǎn)生干擾，造成結(jié)果失真，因此必須采用一個高精度、高共模抑制比的測量放大電路進行小信號的放大處理。

本系統(tǒng)采用了具有差分輸入和閉環(huán)增益單元的儀表放大器INA128作為前端放大電路來做硬補償。儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高，輸入偏置電流很低，并具有很低的輸出阻抗,共模抑制為100 dB，即可將共模電平產(chǎn)生的任何誤差減小到100 dB。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，正好與圖2所示的硬補償電路中的放大器相符。

1.3 軟補償算法實現(xiàn)

系統(tǒng)通過硬補償后，將電壓信號經(jīng)24 bit量化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣后送給MCU進行后續(xù)處理。MCU采用ATMEL公司的ATmega32，其數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，利用MCU的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了基于B樣條的溫漂補償處理算法。之所以采用B樣條曲線來擬合壓力傳感器的溫度系數(shù)，是因為B樣條曲線具有局部控制特性，曲線只在改變了的控制點附近才改變形狀；并且，B樣條曲線可以隨意增加控制點，而不提高曲線的階次，對于不同的應(yīng)用選擇控制點數(shù)，可以滿足不同的擬合要求[5]。

樣條是一個分段多項式函數(shù)，k階(k-1次)B樣條曲線的表達式是：

當分母為零時，定義分式的值為零。其中ti表示控制點節(jié)點值，它控制曲線形狀,節(jié)點值從t0到tn+4。在本系統(tǒng)中使用的是非封閉曲線，因此ti取值規(guī)則如下：

在MCU中實現(xiàn)基于B樣條的補償算法,考慮到B樣條為非封閉曲線，由式(4)和式(5)確定控制點的選取應(yīng)多于4個?？紤]到補償算法的實時性，對計算速度也提出了一定的要求，控制點也不宜太大。綜合上述原因，取n=6，對傳感器數(shù)據(jù)進行樣本采集，通過單片機進行運算，根據(jù)B樣條曲線的計算公式，推導控制節(jié)點值ti，編寫3次B樣條調(diào)和函數(shù)的求解程序，對每一個控制點計算一個補償系數(shù)C(u),并將補償系數(shù)寫入相應(yīng)的Flash寄存器中。系統(tǒng)正常工作時，通過車輛溫度傳感器獲得壓力監(jiān)測系統(tǒng)工作的溫度值，并讀取相應(yīng)寄存器的補償系數(shù)，對測量值進行補償，即可得到經(jīng)過校正以后的壓力輸出。

2 軟、硬補償方法實驗結(jié)果

實驗時，將壓力傳感器置于150 psi恒壓環(huán)境下，對壓力傳感器信號經(jīng)放大后的輸出電壓進行測量。如果系統(tǒng)不受溫漂影響的話，理論上輸出電壓應(yīng)穩(wěn)定在2.5 V。在不同溫度下經(jīng)硬補償后實測數(shù)據(jù)如表1所示。

按照表1中的數(shù)據(jù)作一條曲線，與理想輸出比較，如圖4所示。明顯可以看到，輸出隨溫度的變化呈現(xiàn)的不是一條直線，而是非線性的變化，說明通過前面硬補償后，雖然非線性可限制在滿量程的0.1%內(nèi)，對于精度要求高的系統(tǒng)還是不滿足要求,需進一步做軟補償。

硬補償后的數(shù)據(jù)在MCU內(nèi)再使用B樣條軟補償算法進行校正，校正后的結(jié)果如表2所示。

由表2可知，系統(tǒng)在經(jīng)過軟補償后，7個溫度點的測量值與理論值相比，誤差小了很多，與只進行硬補償相比，誤差可減小到1/5左右，軟、硬補償后誤差曲線如圖5所示。

本文著重研究了對于新型特種車輛中高精度壓力監(jiān)測系統(tǒng)的溫漂誤差補償方法。與傳統(tǒng)方法相比，本方法主要特點是采用了硬補償和軟補償結(jié)合的方式。硬補償包含傳感器本身的工藝調(diào)制補償和放大電路補償；軟補償是通過在MCU內(nèi)嵌入B樣條曲線擬合進行溫度補償。與其他方法相比，本方法易于實現(xiàn)，擬合誤差小，使系統(tǒng)的精度得到較大的提高，并提高了系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)已經(jīng)在某樣車中試用，運行狀況良好，補償精度高，具有很好的推廣應(yīng)用價值。