MPM460變送器-壓力變送器引言 近年來，傳統(tǒng)意義下的傳感器以其本身的特點在控制領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，要求儀器儀表能自動實現(xiàn)多種功能，而且總線控制要求傳統(tǒng)傳感器具有自校正、自診斷、自補償功能。這樣，應(yīng)用單片機對傳統(tǒng)的傳感器進行適當?shù)目刂疲憧梢赃_到上述要求。對于變送器，也就是使得傳感器的輸出信號標準化，上通用標準為電流4～20mA輸出。本課題在變送器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用單片機對其進行控制，便能達到自校正、自診斷、自補償?shù)哪芰?。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器特別是壓力傳感器和溫度傳感器的精度已經(jīng)趨于穩(wěn)定。目前發(fā)展較快的總線技術(shù)本質(zhì)上也要求變送器（或傳感器）具有良好的可靠性和更高的精度。國外的一些公司（如HONEYWELL、ROSEMOUNT等）已推出智能型變送器，而我國在這方面基本上屬于空白，所需產(chǎn)品必須進口，因此自行研制智能型變送器具有重要的理論和實際意義。 2 理論基礎(chǔ) 本課題的采樣由差壓傳感器和溫度傳感器完 成。通常傳感器存在交叉靈敏度[1] ,表現(xiàn)在傳感器的輸出值不單決定于一個參量，當其他參量變化時，輸出值也要發(fā)生變化。例如一個壓力（差）傳感器，當壓力（差）參量恒定而溫度或靜壓參量變化時，其輸出值也發(fā)生改變，那么這個壓力（差）傳感 器就存在有對溫度或?qū)o壓參量的交叉靈敏度。存在交叉靈敏度的傳感器，其性能不穩(wěn)定，測量精 度低。多傳感器的信息融合技術(shù)[2] 就是通過對多個參數(shù)的監(jiān)測并采用一定的信息處理方法達到提高每一個參量測量精度的目的。本文僅討論二傳感器信息融合原理。 二傳感器可測量兩個參量，得到兩個參量的信息。兩個信息的融合算法可以有多種，曲面擬合算法是基本之一，也就是二維回歸分析法。下面討論曲面擬合法基本原理。 已知壓力傳感器輸出值電壓UP,且存在溫度靈敏度。因此只對壓力傳感器進行一維標定實驗。若由獲得的輸入（壓力P）輸出（電壓UP）特性曲線來求取被測壓力值會有較大誤差（因為被測量P不是輸出值UP的一元函數(shù)）。而另一溫度傳感器輸出電壓Ut代表溫度信息t;則壓力參量P可用UP及Ut二元函數(shù)來表示才較完備，即    P=f（UP,Ut） （1）同理，我們也可以將壓力傳感器輸出電壓Up 描述為壓力參量P和溫度傳感器輸出Ut的二元函數(shù)，即    Up=g（p,Ut）MPM460變送器-壓力變送器

（2）此時可利用二次曲面擬合方程，即二維回歸方程來描述：   P=Α0+Α1Up+Α2Ut+Α3Up2 + Α4UpUt+Α5Ut2 +Ε1 （3）  Up=Α0’+Α1’P+Α2’Ut+Λ3’P2 +  8儀器儀表與裝置 Ξ 基金項目：省教委科研資助項目（98JL181號） 收稿日期：2000209228（磁盤稿） ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www。。ｃｎki。。ｎｅｔ Α4’P2Ut+Α5’Ut2 +Ε 2（4）式中Α0～Α5、Α0’～Α5’為常系數(shù)；Ν1,Ν2為高階無窮小。 如果式（1）和（2）中的各個常系數(shù)已知，那么用于檢測P和輸出UP的二元輸入輸出特性即曲面擬合方程（1）及（2）式就確定了。當采集到二傳感器的輸出值UP及Ut時，代入式（1）中就可以計算得到傳感器的被測參量P。為此，首先要進行二維標定實驗，然后根據(jù)標定的輸入、輸出值由zui小二乘法原理確定常系數(shù)。 （1）實驗標定 在壓力傳感器的量程范圍內(nèi)確定n個壓力標定點（設(shè)n=6），在工作溫度范圍內(nèi)確定m個溫度標度點（設(shè)m=5）。于是由壓力P和溫度t標準值發(fā)生器產(chǎn)生在各個標定點的標準輸入值為： pi:p1,p2,p3……pntj:t1,t2,t3,……tm 對應(yīng)于上述各個標定點的標準輸入值讀取相應(yīng)的輸出值UPi及Utj,這樣，我們在m個不同溫度狀態(tài)對壓力傳感器進行靜態(tài)標定，獲得了對應(yīng)m個不同溫度狀態(tài)的m條輸入輸出特性，即P-Up特性簇，如圖1（a）所示。同樣我們也可獲得對應(yīng)于不同壓力狀態(tài)的溫度傳感器的n條輸入輸出特性（t～Ut），即t-Ut特性簇，如圖1（b）所示。   （2）二次曲面擬合方程待定常數(shù)的確定 為確定式（1）和（2）所表征的二次曲面擬合方 程式的常系數(shù)，通常根據(jù)zui小二乘法原理，求得的 系數(shù)滿足均方誤差zui小條件。智能型壓力變送器數(shù)據(jù)融合技術(shù)中的系數(shù)Α0～Α5由單片機控制輸出。 3 硬件設(shè)計 [3] 智能型壓力變送器由壓力、靜壓和溫度傳感器組成前端電路；經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與AD轉(zhuǎn)換開關(guān)相連；采用8031單片機，它有16位高速微控制器，運算功能強，接口簡單等優(yōu)點；外部接有E2 PROM和RAM存儲空間、 鎖存器及顯示器和打印機。單片機對信號進行處理，然后送入DA轉(zhuǎn)換器，并經(jīng)過VI轉(zhuǎn)換電路輸出標準電流。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖2所示。 4 軟件設(shè)MPM460變送器-壓力變送器計 本系統(tǒng)開發(fā)3個軟件：其中主程序用來控制整個系統(tǒng)的工作；數(shù)據(jù)融合技術(shù)流程圖用來確定常系數(shù)Α0～Α5、Α 0’～Α5’等及運算輸出；第三個軟件系統(tǒng)是智能型變送器非線性校正（標度變換）子程序。 5 測試結(jié)果 經(jīng)模擬實驗及智能型變送器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的軟件處理，得出實驗標定數(shù)如表1所示。 由表1可見：壓力輸出信號UP隨工作溫度的升高而減小，MPM316W、MPM388、MPM416W、MPM480、MPM4730、MPM4760、MPM489、MPM482、MPM4120、MPM483、MPM486、MPM484、MPM460、MPM484A/ZL、MPM4530、MPM4528、MPM489B、MDM3051GP、MDM3051AP、MDM3051GP/DP、MDM4951GP、MDM4951AP、MPM380、MDM390、MPM490、MPM486、MSB9418、MSB9438、MPM4700在工作溫度-10℃至50℃范圍內(nèi)，在壓力值為2500Pa輸入時，輸出值隨溫度變化的zui大改變量為Umax。綜上所述，智能壓力變送器雖然采用傳感器采樣信號，由于采用多傳感器的融合技術(shù)和單片機的控制和處理，使得傳感器的交叉靈敏度非常小，自行研制的智能型壓力變送器的測量精度較高，基本上符合該儀器的主要性能指標，性能穩(wěn)定，運行可靠，其在石油、化工冶金、電力、輕工等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。