車用壓力傳感器自動化校準系統(tǒng)的設計

李埃榮 王軍 盧建陽 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。目前我國所設計制作的壓力傳感器大多需要耗費較高的成本，而且精度上也達不到預期的效果。本文從壓阻式壓力傳感器的補償校準方法出發(fā)，對其進行一定的了解，在此基礎上設計出更優(yōu)的校準系統(tǒng)，最終的實驗結果顯示數(shù)據(jù)精度更高，這也體現(xiàn)了該設計的實用性。

關鍵詞：車用壓力傳感器 自動化 校準系統(tǒng)

壓力傳感器對于汽車來說是非常重要的一個組成部分，該設備是采用的半導體材料進行制作的，所以非常容易受到溫度的影響，對溫度進行補償校準是非常有必要的。而這一溫度補償?shù)木纫仓苯拥挠绊懙搅藟毫鞲衅鞯男阅埽M而也影響到了汽車的使用。傳統(tǒng)的補償校準多是通過手動來完成的，這也使得校準結果有著較大的不確定性，所以本文設計了壓力自動化校準系統(tǒng)，旨在解決這一補償校準精度問題。

1 壓阻式壓力傳感器的補償校準方法

1.1 硬件補償

硬件補償多是采用的結構對稱的方式，這一補償方式是要求在校準的裝置中添加相應的附加電路，最終形成與溫度漂移大小差不多的數(shù)值，從而實現(xiàn)補償效果。硬件補償有著較強的實時性，但是容易受到外界因素的干擾，所以只能夠選取一個部分進行補償，在調整過程中也較為麻煩。近幾年來，也有著不少的科研人員對這一補償方式進行了研究，但是卻并未有所突破，該種方法只能夠對系統(tǒng)誤差以及已經(jīng)了解到的誤差起到作用，對于一些隨機產(chǎn)生的誤差作用不大。

1.2 軟件補償

軟件補償與硬件補償不同的是，不能夠對硬件上進行操作，而是將壓力傳感器以及處理模塊做成一個整體，利用各種運算以及處理功能，對壓力傳感器中的溫度進行補償，這一方式不僅能夠對溫度進行補償，而且能夠對傳感器中的一些指標進行完善，使得測量緊固更高，也能夠有效的保持溫度穩(wěn)定。相對來說，軟件補償精度更高，而且成本較低，實時性也更強，能夠及時的進行調整，所以選擇軟件補償更加的實用。

2 校準系統(tǒng)組成

校準系統(tǒng)的設計中壓力傳感器是重點所在，除此之外，還有工業(yè)控制機、數(shù)據(jù)采集卡等系統(tǒng)，以下是校準系統(tǒng)的各個模塊設計。

2.1 數(shù)據(jù)采集與控制模塊

在本次設計中，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轉化器，而且采集的速率也高達100kHz，能夠快速的獲取到數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)具有一定的實時性，有著較高的精度。當壓力信號轉變?yōu)橄鄳碾妷盒盘栔螅瑢⒃撔盘柦尤氲綌?shù)據(jù)采集中的輸入端，將數(shù)據(jù)傳入到上位機中，在該過程中對信號進行檢測分析，最終得出測試結果。與此同時，也要控制電磁閥的狀態(tài)。控制模塊中多是通過上位機以及單片機進行控制，這一模塊的主要功能是要求上位機對整個系統(tǒng)的運行進行一個整體的控制，而單片機則是負責校準中的通信控制。

2.2 壓力控制模塊

壓力控制主要包括兩個方面，一是硬件，二是軟件。硬件部分中的壓力控制又分為粗調和細調，若是選擇粗調，就選用比例閥來完成這一控制過程，而細調則是需要通過兩種方式同時進行。在進行控制的過程中，首先需要采用粗調將壓力控制在形應的設定值附近，之后才能夠進行細調。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控制算法較為簡單，而且有著較高的可靠性，但面對一些較為復雜的系統(tǒng)時，并不能完全的進行控制。而模糊控制相對來說適應性較強，所以將這兩種方式進行結合能夠優(yōu)缺點互補，達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。在進行溫度控制時，采用的是韓國的“TEMI-990”這一系統(tǒng)，這一系統(tǒng)有著獨特的數(shù)據(jù)存儲功能，而且能夠通過配置PS232來擴展功能，也能夠對設備進行監(jiān)控。軟件部分多是采用的RS232這一接口，使得上位機能夠對溫度進行控制。

2.4 數(shù)字化壓力傳感器溫度補償模塊

數(shù)字化的壓力傳感器這一系統(tǒng)最終要對溫度進行補償。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確的數(shù)據(jù)，使得這一模塊中的補償精度更高。數(shù)字化壓力傳感器的補償過程分為預先測試、補償系數(shù)寫入、最終補償這三個部分，預先測試這一階段主要是使用一些專用的電路來對每個溫度的系數(shù)進行測試修正，而補償系數(shù)寫入則是要在溫度進行補償之后，將生成的相關系數(shù)寫入到外部的存儲器上。而最終的溫度補償則是在補償?shù)倪^程中，對溫度變化進行細致的觀察，最終檢測出相應的校準系數(shù)，并存儲到寄存器中。

3 軟件設計

在進行設計的過程中，考慮到虛擬儀器技術能夠縮短周期，所以選擇了利用這一技術進行開發(fā)。本文使用的平臺為Matlab以及LABVIEW，最終對軟件進行開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、壓力控制等各個功能。除此之外，本次設計還調用了vi的這一模式來進行校準，將各個功能單獨的實現(xiàn)，最終交給主程序進行處理。

4 數(shù)據(jù)采集與處理

4.1 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

本次實驗過程中利用到了汽車用壓力傳感器ICS1451，對數(shù)據(jù)進行一定的處理分析。該實驗最終顯示經(jīng)過補償之后，傳感器的數(shù)據(jù)誤差顯然小了很多。本次測試了五組數(shù)據(jù)，補償之前的誤差分被為0.0522、-0.0341、0.0244、0.0680、0.0208，而補償之后的誤差為-0。0032、0.0008、-0.0021、0.0018、0.0003，可見在進行補償之后的誤差精度有了明顯的提高，這也能夠說明該設計的可行性。

4.2 系統(tǒng)評定

為了驗證該系統(tǒng)的可靠性，最終根據(jù)我國的機械行業(yè)的相關標準對該設備進行了一定的評測。首先對其測量能力指數(shù)進行了測算，該測算是要將樣板在設備上反復的進行安裝之后，測試其標準偏差，最終得到的測量能力指數(shù)為3.01，該數(shù)據(jù)大于2，說明本次設計的裝置符合相應的規(guī)范。既能夠達到更精準的數(shù)據(jù)，減少了誤差，而且符合相應的機械標準，這說明該系統(tǒng)是具有著很高的實用性的，并在一定程度上，能夠有效的提高車用壓力傳感器的性能，同時能夠有效的提高汽車的性能。

5 結束語

本文通過對補償校準方法進行研究了解，最終設計出車用壓力傳感器自動化校準系統(tǒng)，最終這一系統(tǒng)通過了相關的檢測評定。實驗表明，該系統(tǒng)有著較高的精準度，而且誤差也穩(wěn)定在了0.1%以內(nèi)，所以該設計是有著一定的實用性的。另外該系統(tǒng)在使用過程中，能夠同時對多個傳感器進行校準，所以效率上有著一定的保證，極大的減小了汽車生產(chǎn)過程中的壓力。這一自動化系統(tǒng)還能夠自主的對壓力與溫度進行控制，而且能夠達到相關的要求規(guī)范，所以完全可以應用于汽車壓力傳感器的校準中。

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