CN111289177A - 一种压力传感器量程校准方法及定制化量程的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压力传感器量程校准方法及定制化量程的压力传感器。根据压力测试间隔划分压力校准范围得到多个标准压力值，根据温度测试间隔划分温度校准范围得到多个标准温度值；对于每个标准温度值，读取压力传感器的温度输出值，并分别以多个正行程和多个负行程读取压力传感器的压力输出值；根据压力传感器的温度输出值、压力输出值以及校准经验公式计算压力传感器的初步校准系数；在保证测量精度前提下优化压力测试间隔以减少压力校准点重复以上步骤以计算压力传感器的最优校准系数。本发明能够根据压力传感器的应用场景提供具有定制量程的压力传感器，无需增加测试点和设备箱，能够在保证测量精度前提下降低结构变形自动监测成本。

Description

一种压力传感器量程校准方法及定制化量程的压力传感器
技术领域
本发明涉及结构测量技术领域，尤其涉及一种压力传感器量程校准方法及定制化量程的压力传感器。
背景技术
基于液压原理的压力传感器已经广泛用于结构变形自动监测中，例如，硅压阻式差压传感器在高速铁路路基变形监测系统被广泛使用，压力传感器作为结构变形自动监测系统中的核心器件，其准确度直接决定了整个结果变形监测系统的精度。目前压力传感器的常用量程有(140～240)mm、(200～700)mm和(750～1750)mm，其对应的精度分别为±0.2mm、±0.5mm和±1mm，可见，压力传感器受自身特性所限，其量程一般比较固定，且压力传感器的量程越大，对应的测量精度越低。
在高速铁路路基变形监测过程中，通常要求灵敏度高、测量精度高的物位计，由于铁路路基存在坡度、凹陷或障碍等导致压力传感器在使用过程中受到了固定量程及极限精度的局限，例如，如图1所示，为京沈高铁路基变形监测方法示意图，采用一个液体连通管连通各个测点处设置的液体压力传感器，液体连通管的一端连接着液箱设备箱，通过测量液体压力传感器的压强值计算出液体压力传感器与液箱设备箱的基准液面的高度差，从而实现路基变形监测目的。通过图1可以看出，京沈高铁路基纵向160米范围内，坡度差达1100mm，必须选择大量程的压力传感器，但是现有最大量程(750～1750)mm的压力传感器的测量精度为±1mm，已经不能满足用户要求的±0.5mm的测量精度，因此，为了满足用户要求的测量精度，现有技术采用分段中继的方式，如图2所示，在测点3和测点4中间断开增加冗余点和中继点，
以满足压力传感器固定量程及极限测量精度的要求。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：
在高速铁路路基变形监测过程中，虽然分段中继的测量方式能够满足用户要求的测量精度，但是由于需要额外增加测点和设备箱，从而增加了高速铁路路基变形监测的经济成本；另外由于需要两套监测系统通过中继计算得出最终的监测结果，与单套监测系统相比，其系统精度也会降低。
发明内容
本发明提供的一种压力传感器量程校准方法及定制化量程的压力传感器，能够根据压力传感器的具体应用场景提供具有定制化量程的压力传感器，无需额外增加测试点和设备箱来达到测量精度要求，从而能够在保证测量精度的前提下降低结构变形自动监测成本。
第一方面，本发明实施例提供的一种压力传感器量程校准方法，所述方法包括：
根据预设的压力测试间隔划分压力校准范围得到多个标准压力值，同时根据预设的温度测试间隔划分温度校准范围得到多个标准温度值，其中，所述标准压力值由压力标准器提供，所述温度测点由温度标准器提供；
对于每个标准温度值，读取所述压力传感器的温度输出值，并分别以多个正行程和多个负行程读取所述压力传感器的压力输出值；
根据所述压力传感器的温度输出值、所述压力传感器的压力输出值以及校准经验公式计算所述压力传感器的初步校准系数；
在保证测量精度前提下优化压力测试间隔以减少压力校准点重复以上步骤，以计算所述压力传感器的最优校准系数。
可选地，所述根据所述压力传感器的温度输出值、所述压力传感器的压力输出值以及校准经验公式计算所述压力传感器的初步校准系数包括：
采用最小二乘法运用所述校准经验公式对所述温度输出值和压力输出值进行线性拟合以得到所述压力传感器的初步校准系数。
可选地，所述校准经验公式为P＝a0+a1u+a2u2+a3t+a4tu+a5t2；
其中，u是所述压力传感器的压力输出值，t是所述压力传感器的温度输出值，a0是压力偏移量系数，a1是压力灵敏度系数，a2是二次压力线性度系数，a3是温度灵敏度的系数，a4是一次温度偏移量系数，a5是二次温度偏移量系数。
可选地，在所述根据预设的压力测试间隔划分所述压力校准范围得到多个标准压力值，同时根据预设的温度测试间隔划分所述温度校准范围得到多个标准温度值之前，还包括：根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围。
可选地，所述根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围包括：
在实际测线上安装量程校准的压力传感器，通过所述量程待校准的压力传感器测量所述实际测线上各个压力传感器测点的网站高程，并根据所述网站高程测量值确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围，其中，所述网站高程为所述压力传感器测点沿铅垂线方向到假定水准基面的距离。
可选地，在根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围之前，还包括：
如果实际测线坡度超出压力传感器常规量程时，根据实测需求确定需要量程校准的多个压力传感器，以实现实际测线上多个定制量程的压力传感器组合使用。
可选地，在所述根据预设的压力测试间隔划分压力校准范围得到多个标准压力值之前，还包括：
对所述压力传感器进行硬件温度补偿和软件温度补偿。
第二方面，本发明实施例提供一种定制化量程的压力传感器，所述压力传感器通过应用权利要求1-6中任一项所述的压力传感器的量程校准方法进行量程校准。
本发明实施例提供的压力传感器量程校准方法及定制化量程的压力传感器，能够根据压力传感器的具体应用场景提供具有定制化量程的压力传感器，无需额外增加测试点和设备箱来达到测量精度要求，从而能够在保证测量精度的前提下降低结构变形自动监测成本。
附图说明
图1为现有技术中高速铁路路基变形测量存在的技术问题示意图；
图2为现有技术中利用分段中继方式测量高速铁路路基变形的原理示意图；
图3为本发明实施例1提供的压力传感器的量程校准方法；
图4为压力传感器的硬件温度补偿电路原理。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，本发明实施例一提供一种压力传感器量程校准方法，所述方法包括：
S11、根据预设的压力测试间隔划分压力校准范围得到多个标准压力值，同时根据预设的温度测试间隔划分温度校准范围得到多个标准温度值；
其中所述标准压力值由压力标准器提供，所述温度测点由温度标准器提供；
S12、对于每个标准温度值，读取所述压力传感器的温度输出值，并分别以多个正行程和多个负行程读取所述压力传感器的压力输出值；
S13、根据所述压力传感器的温度输出值、所述压力传感器的压力输出值以及校准经验公式计算所述压力传感器的初步校准系数；
S14、在保证测量精度前提下优化压力测试间隔以减少压力校准点重复以上步骤，以计算所述压力传感器的最优校准系数。
本发明实施例提供的压力传感器量程校准方法，能够根据压力传感器的具体应用场景提供具有定制化量程的压力传感器，具体地，本发明能够根据实测需求来校准压力传感器的量程，减小了实际使用的压力传感器的量程，提高了压力传感器的测量精度，与现有技术相比，本发明无需额外增加测试点和设备箱来达到测量精度要求，从而能够在保证测量精度的前提下降低结构变形自动监测成本。
其中，所述根据所述压力传感器的温度输出值、所述压力传感器的压力输出值以及校准经验公式计算所述压力传感器的初步校准系数包括：
采用最小二乘法运用所述校准经验公式对所述温度输出值和压力输出值进行线性拟合以得到所述压力传感器的初步校准系数。
具体地，所述校准经验公式为P＝a0+a1u+a2u2+a3t+a4tu+a5t2；
其中，u是所述压力传感器的压力输出值，t是所述压力传感器的温度输出值，a0是压力偏移量系数，a1是压力灵敏度系数，a2是二次压力线性度系数，a3是温度灵敏度的系数，a4是一次温度偏移量系数，a5是二次温度偏移量系数。
另外，本发明实施例提供的压力传感器量程校准方法，由于校准经验公式中加入温度的二次方项，能够明显提高压力传感器的成品率，而且能够明显改善温度的影响；同时，在量程校准过程中先是全压力校准范围内进行密集取点，温度校准范围也尽量做宽，之后对压力测试间隔进行优化，以保证测量精度的前提下尽量采用少的校准点来实现精密校准。
为了便于理解本发明，下面以硅压阻式差压传感器为例进行详细说明，其中，实验室环境温度为(20±5)℃，每10min变化不大于1℃。相对湿度：(45～75)％RH，大气压力：86kPa～106kPa，周围环境中无强磁场及高频电的干扰，温度标准器采用高低温交变试验箱，补偿式微压计适用于校准±0.2mm的压力传感器，气体活塞式压力计适用于校准±0.5m的压力传感器，由于客户要求的测量精度为±0.5mm，因此压力标准器采用的气体活塞式压力计。
将待量程校准的硅压阻式差压传感放入高低温交变试验箱中静置2小时，接至活塞式压力计待测，压力范围为(2～7)kPa，温度范围为(-30～﹢60)℃。标定压力点选取为：2kPa、2.5kPa、3kPa、3.5kPa、4kPa、4.5kPa、5kPa、5.5kPa、6kPa、6.5kPa、7kPa，即以压力计的最小砝码0.5kPa选取一个压力点，共11个压力点；标定温度点选取为：-30℃、-20℃、-10℃、0℃、﹢10℃、﹢20℃、﹢30℃、﹢40℃、﹢50℃、60℃，即每隔10℃选取一个温度点，共10个温度点。为了确保校准精度和分析测试数据，在每个温度点下都要做三个正行程三个反行程，即每个温度下测试66个压力点。以每1min读取一个测试值的速度，一个温度需要66min，10个温度就需要660min。考虑到高低温试验箱的均匀稳定时间通常为2h，故标定测试一批传感器需要连续31h。传感器校准测试数据包括：时间、标准压力值、标准温度值、传感器ROM_ID、传感器压力输出值u、传感器温度输出值t。由于篇幅有限，这里是以两个温度的一个正行程，一个反行程的测试采集数据为例，如表1所示。
表1压力传感器的校准原始数据
Figure BDA0002386974240000071
Figure BDA0002386974240000081
Figure BDA0002386974240000091
考虑到压力传感器的输出电压与温度和压力有明显的二元二次线性关系：P＝f(u,t)。
接着，采用最小二乘法运用所述校准经验公式对所述温度输出值t和压力输出值u进行线性拟合以得到所述压力传感器的初步校准系数。
具体地，所述校准经验公式为P＝a0+a1u+a2u2+a3t+a4tu+a5t2；
其中，u是所述压力传感器的压力输出值，t是所述压力传感器的温度输出值，a0、a1、a2、a3、a4和a5为所述压力传感器的校准系数，具体地，a0是压力偏移量系数，a1是压力灵敏度系数，a2是二次压力线性度系数，a3是温度灵敏度的系数，a4是一次温度偏移量系数，a5是二次温度偏移量系数。
最后在保证测量精度前提下优化压力测试间隔以减少压力校准点重复以上步骤，以计算所述压力传感器的最优校准系数。
可选地，在所述根据预设的压力测试间隔划分所述压力校准范围得到多个标准压力值，同时根据预设的温度测试间隔划分所述温度校准范围得到多个标准温度值之前，还包括：
根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围。
具体地，所述根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围包括：
在实际测线上安装量程校准的压力传感器，通过所述量程待校准的压力传感器测量所述实际测线上各个压力传感器测点的网站高程，并根据所述网站高程测量值确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围，其中，所述网站高程为所述压力传感器测点沿铅垂线方向到假定水准基面的距离。
可选地，在根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围之前，还包括：
如果实际测线坡度超出压力传感器常规量程时，根据实测需求确定需要量程校准的多个压力传感器，以实现实际测线上多个定制量程的压力传感器组合使用。
可选地，在所述根据预设的压力测试间隔划分压力校准范围得到多个标准压力值之前，还包括：
对所述压力传感器进行硬件温度补偿和软件温度补偿。
其中，对所述压力传感器进行硬件温度补偿包括：在压力传感器PCB设计初期采用微机电系统技术，将压力传感器的惠斯顿电桥与外接压敏电路连接组成温度补偿电路，如图4所示，为硬件温度补偿电路原理图。所述压力传感器的温度补偿原理为桥路电阻测温同步性好，硅压阻传感器的桥路等效电阻与温度有关，而对压力不太敏感。恒流供电时，桥路电压与温度成比例关系，桥阻、压力测量值与模拟电源无关。
另外，本发明还采用补偿芯片在0.18μm集成电路工艺基础上进行设计，通过传感器、信号诊断电路、极限反转开关、运放、ADC模数转换模块、DSP数据处理模块、数字串口输出/DAC数模转换输出，最终实现软件温度补偿及非线性补偿。
在补偿芯片的实际使用中，如果是第一次使用，芯片需要进行非线性数据校准和温度校准。校准阶段需要至少采集同一温度下，多组不同压力下对应的传感器输出，25℃室温下，对待校准芯片施加0hpa、50hpa、100hpa、150hpa、200hpa等不同压力值。另外，为了对温度漂移进行修正，需分别对同一压力值不同温度下测量，分升温和降温两个标定过程：在温度范围内每间隔50C，对传感器进行一次读数，使用既定的数据和算法计算出5度范围内的校准系数，对温度效应进行补偿。
根据上述方法得到不同温度下的压力表达式：
T1:p＝a1x2+b1x+c1
T2:p＝a2x2+b2x+c2
T3:p＝a3x2+b3x+c3
T4:p＝a4x2+b4x+c4
T5:p＝a5x2+b5x+c5
其中，x为模拟数字转换器原始数据，a为二阶系数，b为一阶系数，c为补偿常数。T1到T5分别代表不同温度，根据上述5组表达式，可以得到系数a、b、c分别关于温度的表达式，以a为例进行说明。可以得到(T1，a1)、(T2，a2)、(T3，a3)、(T4，a4)和(T5，a5)数据，进行二次多项式拟合，可以得到：
a＝dT2+eT+f
其中，d、e和f分别为函数的二阶系数、一阶系数和补偿常数。
扩散硅压力传感器电阻材料的温度系数较大，会造成传感器的灵敏度出现温度漂移。由上述分析可知，压力灵敏度和压阻系数成线性关系，但是由于压阻系数和温度是非线性函数关系，温度的变化会对灵敏度造成影响。
这里以维修线为例进行说明，如图2所示，由图2可知，单条测线的高差超出了常规(200-700)mm量程，测量精度为0.5mm压力传感器的量程范围，于是为根据维修线的实际情况确定的多个定制量程的压力传感器，如表2所示，首先，在实际测线上安装量程为(750-1750)mm的压力传感器，其测量精度为1mm，测得各个测点的网站高程，为压力传感器的定制化量程校准提供基础数据，用于确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围，之后根据本发明提供的压力传感器的量程校准方法，确定最优量程校准系数，进而确定压力传感器的定制化量程，具体到某线路来说，在实际测线上，在测点1、测点2和测点3设置量程为(200-700)mm的压力传感器，在测点4和测点5设置定制化量程为(700-1100)的压力传感器，在测点6和测点7设置定制化量程为(1050-1300)的压力传感器，这样在一条实际测线上组合使用三种量程的压力传感器进行路基结构变形监测，并能够满足客户要求的0.5mm测量精度。
表2维修线上采用的多个压力传感器
Figure BDA0002386974240000121
由表2可以看出，通过定制化校准量程来实现高速铁路路基变形监测，既能够满足客户要求的0.5mm测量精度，又无需额外增加测试点和设备箱来达到测量精度要求，从而能够在保证测量精度的前提下降低结构变形自动监测成本。
另外，本发明实施例还提供一种定制化量程的压力传感器，所述压力传感器通过应用上述所述的压力传感器的量程校准方法进行量程校准。
本发明实施例提供的定制化量程的压力传感器，能够根据压力传感器的具体应用场景提供具有定制化量程的压力传感器，具体地，本发明能够根据实测需求来校准压力传感器的量程，减小了实际使用的压力传感器的量程，提高了压力传感器的测量精度，与现有技术相比，本发明无需额外增加测试点和设备箱来达到测量精度要求，从而能够在保证测量精度的前提下降低结构变形自动监测成本。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种压力传感器量程校准方法，其特征在于，所述方法包括：
根据预设的压力测试间隔划分压力校准范围得到多个标准压力值，同时根据预设的温度测试间隔划分温度校准范围得到多个标准温度值，其中，所述标准压力值由压力标准器提供，所述温度测点由温度标准器提供；
对于每个标准温度值，读取所述压力传感器的温度输出值，并分别以多个正行程和多个负行程读取所述压力传感器的压力输出值；
根据所述压力传感器的温度输出值、所述压力传感器的压力输出值以及校准经验公式计算所述压力传感器的初步校准系数；
在保证测量精度前提下优化压力测试间隔以减少压力校准点重复以上步骤，以计算所述压力传感器的最优校准系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述压力传感器的温度输出值、所述压力传感器的压力输出值以及校准经验公式计算所述压力传感器的初步校准系数包括：
采用最小二乘法运用所述校准经验公式对所述温度输出值和压力输出值进行线性拟合以得到所述压力传感器的初步校准系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述校准经验公式为：
P＝a0+a1u+a2u2+a3t+a4tu+a5t2；
其中，u是所述压力传感器的压力输出值，t是所述压力传感器的温度输出值，a0是压力偏移量系数，a1是压力灵敏度系数，a2是二次压力线性度系数，a3是温度灵敏度的系数，a4是一次温度偏移量系数，a5是二次温度偏移量系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据预设的压力测试间隔划分所述压力校准范围得到多个标准压力值，同时根据预设的温度测试间隔划分所述温度校准范围得到多个标准温度值之前，还包括：
根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围包括：
在实际测线上安装量程校准的压力传感器，通过所述量程待校准的压力传感器测量所述实际测线上各个压力传感器测点的网站高程，并根据所述网站高程测量值确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围，其中，所述网站高程为所述压力传感器测点沿铅垂线方向到假定水准基面的距离。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在根据实测需求确定压力传感器的压力校准范围和温度校准范围之前，还包括：
如果实际测线坡度超出压力传感器常规量程时，根据实测需求确定需要量程校准的多个压力传感器，以实现实际测线上多个定制量程的压力传感器组合使用。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述根据预设的压力测试间隔划分压力校准范围得到多个标准压力值之前，还包括：
对所述压力传感器进行硬件温度补偿和软件温度补偿。
8.一种定制化量程的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器通过应用权利要求1-7中任一项所述的压力传感器量程校准方法进行量程校准。
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