低成本壓力傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳澤球

(武夷學(xué)院，福建 武夷山 354300)

在自動(dòng)化領(lǐng)域中采用微機(jī)控制技術(shù)是占統(tǒng)治地位的方法，而傳感器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中重要的組成部分之一。如今，作為自動(dòng)控制系統(tǒng)“大腦”的微電腦已經(jīng)非常成熟，它不但功能強(qiáng)大，而且成本低廉，理論上可以用于各種需要自動(dòng)控制的場(chǎng)合和設(shè)備。但實(shí)際上它基本上只能用于中高端的設(shè)備，其重要因素之一是傳感器的成本往往大大高于單片機(jī)成本，大大高于市場(chǎng)對(duì)相應(yīng)設(shè)備的價(jià)格定位，高價(jià)的傳感器成為自動(dòng)控制技術(shù)廣泛推廣與應(yīng)用的“瓶頸”。因此研發(fā)低成本且實(shí)用的傳感器有助于自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛推廣。

本文以某環(huán)保用回收設(shè)備的研制為例，闡述了低成本傳感器的設(shè)計(jì)制作過(guò)程及其重要性和必要性。

在某環(huán)保用的回收設(shè)備研制中，需要使用壓力傳感器，如果使用現(xiàn)成的市售產(chǎn)品，因傳感器價(jià)格高，會(huì)使回收設(shè)備的價(jià)格過(guò)高，使用成本高于回收到的物質(zhì)的價(jià)值，產(chǎn)品將不會(huì)被市場(chǎng)接受，不符合項(xiàng)目要求，因此必須尋找更低成本的途徑。最后選擇了低價(jià)位且廣泛使用的普通壓力表作為傳感元件，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，探索了低成本壓力傳感器的設(shè)計(jì)制作。［1］

1 低成本壓力傳感器的設(shè)計(jì)

彈簧管式壓力表是一類(lèi)使用十分廣泛的壓力表，它價(jià)格低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于各種流動(dòng)工質(zhì)的壓強(qiáng)的測(cè)量，對(duì)惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。廣泛用于各種工業(yè)設(shè)備，特別在低成本的設(shè)備中使用更多。它利用彈簧管在壓強(qiáng)作用下的形變得到壓力變化信號(hào)，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)推動(dòng)指針就可將壓力指示出來(lái)。顯然，如果能夠?qū)⑦@種壓力變化信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出，便可以為自動(dòng)控制系統(tǒng)的單片機(jī)所利用。

將形變變?yōu)殡娦盘?hào)的方法很多。如，在形變體上貼應(yīng)變電阻，市售的壓力傳感器多用此方法。但該方法是專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)，傳感器精度雖高，但其成本相對(duì)也很高，產(chǎn)品價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī)。為降低成本，采取了用壓力表改制的一些方法。其中光電讀數(shù)法選用了成本較低的碼盤(pán)來(lái)讀出壓力表示值，方法簡(jiǎn)單、易行，且成本低廉。其原理是將碼盤(pán)裝在壓力表的指針軸上，1個(gè)5位的碼盤(pán)，白色表示0，黑色表示1，有28個(gè)分度，如圖1所示。各分格上的二進(jìn)碼可用光敏管讀出。

圖1 碼盤(pán)

用感光元件就可以讀出碼盤(pán)上的讀數(shù)。當(dāng)壓力表的指針軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置，這個(gè)位置上的二進(jìn)制碼就會(huì)被感光元件讀出。將這個(gè)碼送到微機(jī)系統(tǒng)中處理，就可得到壓力表的讀數(shù)。圖2是上述用碼盤(pán)來(lái)讀出壓力表示值的硬件結(jié)構(gòu)。但該方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題需要完善和解決。

1.1 碼盤(pán)編碼位數(shù)的確定

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備選用0～1.2 MPa量程的壓力表，這種壓力表有120個(gè)小格，每小格為0.01 MPa，每0.1 MPa為一大格，如果用7位二進(jìn)碼，就可以有128個(gè)二進(jìn)制數(shù)，滿足讀出120個(gè)小格的要求，也可以滿足該設(shè)備的需要。因此選用7位二進(jìn)制編碼。然后按7位碼制作碼盤(pán)和軟硬件。0.01 MPa的讀數(shù)精度比較接近人眼讀數(shù)精度，可以滿足一般設(shè)備的讀數(shù)要求。

1.2 光電傳感元件數(shù)據(jù)輸出的碼盤(pán)讀數(shù)信號(hào)與設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)微機(jī)的連接

由于選用了7位二進(jìn)制碼，光電傳感元件數(shù)據(jù)輸出也應(yīng)是7位碼。一般作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的單片機(jī)的I/O口都有8位以上，所以光電傳感元件的7位讀數(shù)信號(hào)輸出可以直接與單片機(jī)的I/O口進(jìn)行并行連接。對(duì)于8位以上的單片機(jī)，多出的I/O口可以留作它用。

1.3 讀數(shù)軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題

正確連接硬件后，還需要一定的程序才能正確地完成壓力傳感工作。軟件工作的程序總體上應(yīng)該是讀數(shù)，然后送存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。有關(guān)程序便可以讀取這些數(shù)據(jù)使用。

由于設(shè)備的工作現(xiàn)場(chǎng)有各種干擾，如，電磁脈沖、振動(dòng)等等，實(shí)際工況會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，這些干擾容易造成讀數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，在碼盤(pán)相鄰的2個(gè)讀數(shù)的邊界上的讀數(shù)也很容易出錯(cuò)。采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)可以消除這些問(wèn)題。

對(duì)于碼盤(pán)相鄰2個(gè)讀數(shù)邊界容易產(chǎn)生錯(cuò)碼的問(wèn)題，選用格雷碼編碼可以有效地消除。因?yàn)橄噜?個(gè)格雷碼只有1位不同，所以對(duì)于用格雷碼編碼的碼盤(pán)相鄰2個(gè)數(shù)邊界上的讀數(shù)，容易做到只在這位上的二進(jìn)碼產(chǎn)生變化，而不會(huì)出現(xiàn)其他的數(shù)，這樣就使讀數(shù)不會(huì)有太大變化。

讀出格雷碼，將其轉(zhuǎn)換成其他的二進(jìn)制碼就可以方便地進(jìn)行其他數(shù)字處理使用。

1.4 濾波方法的選擇

利用微電腦的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行數(shù)字濾波，是濾除干擾信號(hào)的有效且方便的方法。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有多種常用的數(shù)字濾波方法，如，中值濾波法、算術(shù)平均值法、一階滯后濾波法［2］等等。不同的方法適用于不同的干擾，可按設(shè)備特性和工作環(huán)境干擾的特點(diǎn)選用。根據(jù)設(shè)備工作條件、被測(cè)氣壓、振動(dòng)、測(cè)量精度等要求，該項(xiàng)目選用算術(shù)平均值濾波法和限幅濾波法。

算術(shù)平均值法是找一個(gè)與本次各采樣值間的誤差的平方和最小的值，作為本次采樣的平均值，即:

由一元函數(shù)極值原理得:

算術(shù)平均值法適用于對(duì)信號(hào)的平滑處理，處理結(jié)果的平滑度和靈敏度取決于采樣次數(shù)N。當(dāng)N值較大時(shí)，平滑度較高，但靈敏度較低;當(dāng)N值較小時(shí)，平滑度較低，但靈敏度較高。實(shí)際使用時(shí)要選取適當(dāng)?shù)腘值，使其達(dá)到最好的效果而又少用計(jì)算時(shí)間。當(dāng)有大的隨機(jī)干擾或采樣器不穩(wěn)定，使采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)時(shí)，可以用限幅濾波法。其處理方法是:當(dāng)采樣值|Y|≥A(A為限幅值)，則可取Y=A或Y=－A，使數(shù)據(jù)更接近實(shí)際情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用以上方法可以解決設(shè)備研制遇到的干擾問(wèn)題，數(shù)據(jù)處理后得到的測(cè)量結(jié)果能滿足設(shè)備的測(cè)量和控制要求。這樣，傳感器數(shù)字處理軟件部分可以按以下流程設(shè)計(jì):

讀取碼盤(pán)位置信號(hào)(格雷碼 ) →轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼 →數(shù)字濾波 →送存儲(chǔ)器，供有關(guān)程序調(diào)用。該處理軟件可以嵌入到設(shè)備原有的微機(jī)或單片機(jī)控制系統(tǒng)中去。因此，不需要另外增加微機(jī)硬件來(lái)運(yùn)行。由此可見(jiàn)，以上所設(shè)計(jì)的壓力表傳感器并沒(méi)有增加多少成本，只是在設(shè)備原有的壓力表上增加了格雷碼碼盤(pán)和光電傳感讀數(shù)電路，必要的微機(jī)系統(tǒng)部分，如，I/O口、單片機(jī)電路等，可使用設(shè)備原有的單片機(jī)系統(tǒng)。增加的成本與原有設(shè)備及控制系統(tǒng)成本相比甚微。

將上述讀數(shù)處理軟件嵌入到設(shè)備原有的單片機(jī)自控系統(tǒng)中的方法很多。在此僅介紹中斷方法的嵌入原理。

單片機(jī)控制系統(tǒng)使用中斷方法工作，將上面的軟件放在中斷函數(shù)中，一定時(shí)間(如，10 ms)中斷和調(diào)用中斷函數(shù)1次，執(zhí)行讀壓力傳感器數(shù)據(jù)、碼制轉(zhuǎn)換、濾波、送存儲(chǔ)器的任務(wù)，得到1次傳感結(jié)果。這種方法的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 中斷嵌入法硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

2 分析和討論

低成本是設(shè)計(jì)方案的主要目的，綜上所述的軟硬件結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，硬件方面只是在設(shè)備原有的壓力表上增加了格雷碼碼盤(pán)和光電傳感讀數(shù)電路，軟件方面增加了一段讀數(shù)、轉(zhuǎn)換、濾波程序，增加的成本很小，符合低成本目標(biāo)。

2.1 誤差分析

讀數(shù)誤差的增加:碼盤(pán)是120個(gè)分格，理論上不考慮壓力表原有誤差，碼盤(pán)光電讀數(shù)部分產(chǎn)生的誤差應(yīng)為壓力表最大讀數(shù)的1/120，即最大讀數(shù)的1/120≈0.83%，絕對(duì)值為0.01 MPa;在壓力表原有誤差(一般工作用壓力表約為4%)上增加±0.83%的誤差，與其原有誤差相比增加較小，對(duì)許多低端設(shè)備而言是可以接受的。但是光電讀數(shù)誤差遠(yuǎn)小于人眼產(chǎn)生的讀數(shù)誤差。經(jīng)數(shù)字電路處理也會(huì)引入一些誤差。

綜合考慮上述誤差后，得到的壓力傳感器的誤差比壓力表原有誤差要增加±0.85%或更多。在普通壓力表4%的誤差上增加±0.85%的誤差，對(duì)使用不會(huì)產(chǎn)生較大的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析基本相符。對(duì)許多低端設(shè)備而言，增加±0.85%的誤差并不影響實(shí)際使用。雖然數(shù)字處理會(huì)造成讀數(shù)結(jié)果的滯后，但并不明顯，這對(duì)許多低端設(shè)備來(lái)說(shuō)沒(méi)有影響。

綜上所述，改制的傳感器的非線性、穩(wěn)定性、溫度范圍等性能，主要取決于彈簧管壓力表的性能，。如果壓力表刻度線性不好，在碼盤(pán)分度制作時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)刻度的非線性。這樣可以改善原有壓力表的非線性。

2.2 存在的問(wèn)題

上述設(shè)計(jì)存在的不足主要有:一是需要7個(gè)光敏管來(lái)讀出7位碼，由于光敏管有一定大小，排列起來(lái)有一定長(zhǎng)度和大小，使碼盤(pán)直徑變大，增大了整個(gè)傳感器的體積;二是碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比指針要大，如果被測(cè)壓力比較急劇地變化，或者機(jī)械振動(dòng)大，使壓力表指針抖動(dòng)大時(shí)就不太適用。改進(jìn)上述存在的不足之處可增大本設(shè)計(jì)方案的適用范圍。在縮小體積方面，文獻(xiàn)［3］提出了改變光敏管排列的方法。

總之，上述傳感器設(shè)計(jì)是在低價(jià)位并廣泛使用的彈簧管式壓力表基礎(chǔ)上，再增加少量硬件，利用設(shè)備現(xiàn)有微機(jī)，增加少量軟件，增加的成本很少。測(cè)量性能基本取決于彈簧管壓力表的性能。測(cè)量精度雖然比原彈簧管式壓力表略有下降，但能夠滿足一般低端設(shè)備的要求，解決了普通壓力傳感器成本遠(yuǎn)高于設(shè)備單片機(jī)自動(dòng)控制器成本的問(wèn)題。這種方法也可以用于其他類(lèi)似用途。該方案為自動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于低價(jià)位設(shè)備提供了有效的途徑。

3 結(jié)語(yǔ)

低價(jià)位設(shè)備也有強(qiáng)烈的使用自動(dòng)控制技術(shù)的需求，為了滿足上述需求，并廣泛推廣自動(dòng)控制技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，必須不斷開(kāi)發(fā)和研制各類(lèi)低成本傳感器。本文用普通壓力表作為將壓力轉(zhuǎn)換為形變的元件，利用格雷碼碼盤(pán)與光電讀數(shù)技術(shù)，并與設(shè)備上的微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合，設(shè)計(jì)的低成本壓力傳感器，不僅能夠保證設(shè)備正常工作，而且大大降低了成本。打破了自動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于低端設(shè)備中的“瓶頸”，也為自動(dòng)控制技術(shù)的推廣與應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的途徑。

［1］吳澤球.小型制冷劑回收機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.桂林:廣西師范大學(xué)，2009.

［2］盧雪紅.非金屬薄膜生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2006.

［3］宋文杰，劉伯峰，成小華，等.風(fēng)傳感器風(fēng)向編碼器的改進(jìn)［J］.山東科學(xué)，2005(5):34 －36.