專利名稱：基于二維正交函數(shù)的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及壓阻式壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用二維正交函數(shù)的最小二乘法的壓阻式壓力傳感器的溫度和壓力互補(bǔ)裝置。
背景技術(shù)：
目前在壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中，在溫度補(bǔ)償算法方面，國內(nèi)外的許多算法基本存在兩種狀況一種是利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，預(yù)先依靠經(jīng)驗(yàn)假設(shè)出補(bǔ)償?shù)姆匠蹋偻ㄟ^多項(xiàng)式擬合或插值的方法進(jìn)行計(jì)算，如曲線擬合法、分段線性插值法等，這類方法很容易導(dǎo)致“欠擬合”和“過擬合”現(xiàn)象的發(fā)生，病態(tài)方程的出現(xiàn)，從而使得適應(yīng)性較低， 精度低；而另一種狀況克服了先假設(shè)模型的缺點(diǎn)，如采用現(xiàn)在使用甚廣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，先進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，獲得大量的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得出結(jié)果，這種利用資源來換取精度的方法，計(jì)算量很大，也難免降低其實(shí)時(shí)性。除外，當(dāng)利用壓阻式壓力傳感器壓力和溫度兩測的特性時(shí)，只單單利用溫度信號對壓力信號進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，其實(shí)，反之亦然，由于壓力信號和溫度信號時(shí)相互干擾的，因此此時(shí)也可用壓力信號對溫度信號進(jìn)行補(bǔ)償，從而同時(shí)可以獲得測試環(huán)境的壓力和溫度兩個(gè)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，也為需要準(zhǔn)確溫度數(shù)據(jù)輸出的應(yīng)用系統(tǒng)提供了精度的保證和靈活的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于二維正交函數(shù)的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)裝置。本實(shí)用新型利用單個(gè)壓阻式壓力傳感器具有兩測特點(diǎn)，從中獲得壓力電壓信號和溫度電壓信號，并巧妙的利用電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出恒定電壓輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏鬏敵龅碾娐罚蟠蠛喕穗娐?、提高了裝置的靈活性和適用性。本實(shí)用新型可以根據(jù)函數(shù)逼近知識，利用基于二維正交函數(shù)的最小二乘擬合算法模型，克服了由于事先建立經(jīng)驗(yàn)方程模型以及多項(xiàng)式次數(shù)升高可能帶來的“欠擬合”和“過擬合”現(xiàn)象的缺點(diǎn)，利用壓力信號和溫度信號進(jìn)行相互補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑸闄z測壓力和溫度數(shù)據(jù)提供了可靠性強(qiáng)，魯棒性高的算法。本實(shí)用新型通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種基于二維正交函數(shù)的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)裝置，包括壓阻式壓力傳感器探頭、MCU平臺和上位機(jī)，MCU平臺包括單片機(jī)、儀表放大器、電流串聯(lián)負(fù)反饋電路、 EEpronuDA轉(zhuǎn)換芯片以及串行通信芯片；單片機(jī)分別與EEprom、儀表放大器、電流串聯(lián)負(fù)反饋電路、DA轉(zhuǎn)換芯片和串行通信芯片連接，上位機(jī)通過串行通信芯片與單片機(jī)連接，DA轉(zhuǎn)換芯片的精準(zhǔn)電壓輸出端與電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的恒定電壓輸入端連接，壓阻式壓力傳感器探頭的信號輸出端同時(shí)與儀表放大器和電流串聯(lián)負(fù)反饋電路連接，電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的恒定電流輸出端與壓阻式壓力傳感器供電端連接。上述的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)裝置，所述電流串聯(lián)負(fù)反饋電路包括運(yùn)算放大器，DA轉(zhuǎn)換芯片精準(zhǔn)電壓輸出端與運(yùn)算放大器的同向輸入端連接，運(yùn)算放大器的輸出端和反向輸入端與壓阻式壓力傳感器的供電端連接。所述壓阻式壓力傳感器探頭用來感應(yīng)壓力和溫度的變化，儀表放大器采集壓力和溫度電壓信號的變化并進(jìn)行濾波放大處理，單片機(jī)對經(jīng)濾波放大處理后的信號進(jìn)行采樣量化轉(zhuǎn)換，單片機(jī)讀取EEprom中由基于二維正交函數(shù)的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)的方法求得的互補(bǔ)模型補(bǔ)償系數(shù)并代入該方法的步驟(1)提出的基于二維正交函數(shù)的方程模型計(jì)算出實(shí)時(shí)的壓力值和溫度值，并通過串行通信芯片與上位機(jī)保持基于RS485的實(shí)時(shí)通信，以及通過DA (數(shù)字模擬)轉(zhuǎn)換芯片把壓力值轉(zhuǎn)換成4mA 20mA的模擬電流信號，供遠(yuǎn)距離傳輸，DA(數(shù)字模擬)轉(zhuǎn)換芯片同時(shí)提供精準(zhǔn)恒定電壓給電流串聯(lián)負(fù)反饋電路產(chǎn)生可調(diào)恒定電流，為壓阻式壓力傳感器探頭供電；所述的上位機(jī)利用Visual C++進(jìn)行基于二維正交函數(shù)的最小二乘擬合方法的溫度和壓力相互補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算，再將得出的補(bǔ)償系數(shù)利用串行通信方式傳送給單片機(jī)，單片機(jī)再寫入EEprom，并且上位機(jī)通過在控制界面中設(shè)有壓力值曲線顯示和數(shù)字顯示，開始和停止通信，現(xiàn)場標(biāo)定，讀出寫入按鈕，來對MCU平臺的智能化控制。上述裝置所述的電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，由于DA轉(zhuǎn)換時(shí)有一精準(zhǔn)恒定電壓輸出，另一方面，壓力傳感器為了避免采用電壓供電時(shí)由于溫度漂移帶來的巨大影響，而選擇采用恒定電流源供電，綜合考慮這兩個(gè)因素，便提出一種由運(yùn)放構(gòu)成的電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，從而達(dá)到由恒定電壓輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏鬏斎氲哪康模惨虼藴p少了加入恒定電流源的麻煩，為裝置節(jié)約成本，提高適用性。上述提到的基于二維正交函數(shù)的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)的方法，包括如下步驟(1)建立模型在傳統(tǒng)的最小二乘擬合中，都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)出散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的函數(shù)模型，這就容易導(dǎo)致“欠擬合”和“過擬合”現(xiàn)象的發(fā)生，并且隨著多項(xiàng)式次數(shù)的升高，容易出現(xiàn)病態(tài)方程模型，使得這種算法的可靠性和適應(yīng)性都大大降低。除外，針對目前壓阻式壓力傳感器實(shí)際測量壓力時(shí)與環(huán)境溫度之間相互的影響，提出一種基于二維正交函數(shù)的最小二乘法的互補(bǔ)模型，此模型能利用溫度信號對傳感器壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，也能利用壓力信號對傳感器溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)哪Ｐ停匠倘缦?br> ηP{x) = aoUpo(x) + a\Up\{x) +L +akUPk(x)+L +anUPn(x) = ^akUPk(x)(i)
k=0ak = ak0Ut0 (x) +aklUtl (x) +L+akmUtm (x)②其中，P(x)是關(guān)于點(diǎn)集{xz}，ζ= 0，1，L，η 的壓力值函數(shù)；k = 0，l，I^nWptl(X), Upl (χ)，L，Upk(x)，L，Upn(X)是關(guān)于點(diǎn)集{xz}，ζ = 0，1，L，η的正交函數(shù)族和k次擬合多項(xiàng)式組，同時(shí)代表著在r個(gè)不同壓力值P和1個(gè)不同溫度值T下的壓力信號；Uttl (χ)，Utl (χ)，L， Utm(X)是關(guān)于點(diǎn)集{^}，2 = 0，1丄，!11的正交函數(shù)族和多項(xiàng)式組，同時(shí)代表著在1~個(gè)不同壓力值P和1個(gè)不同溫度值T下的溫度信號；m、η為擬合多項(xiàng)式最大的次數(shù)，取值分別等于r 和 1 ；a0, a1 L，ak, L，an 分別為多項(xiàng)式 Up0 (χ)，Upl (χ)，L，Upk(χ)，L，Upn(χ)的系數(shù)，同時(shí)也是關(guān)于Utm(X)的函數(shù);ak0, akl, L，akffl分別為Uto (χ)，Utl (χ)，L，Utffl (χ)的常數(shù)系數(shù)，即該模型最終需要求解的補(bǔ)償系數(shù)。(2)模型補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算通過現(xiàn)場標(biāo)定的方式，在r個(gè)給定壓力值P和1個(gè)給定溫度值T的情況下，利用壓力傳感器探頭采集獲得r*l組壓力電壓信號仏和溫度電壓信號Ut 數(shù)據(jù)點(diǎn)(T，P，Up，Ut)。 根據(jù)最小二乗法的原理，首先利用這組(P，Up)數(shù)據(jù)對方程①進(jìn)行擬合
權(quán)利要求1.一種基于二維正交函數(shù)的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)裝置，其特征在于包括壓阻式壓力傳感器探頭、MCU平臺和上位機(jī)，MCU平臺包括單片機(jī)、儀表放大器、電流串聯(lián)負(fù)反饋電路、EEprom, DA轉(zhuǎn)換芯片以及串行通信芯片；單片機(jī)分別與EEprom、儀表放大器、電流串聯(lián)負(fù)反饋電路、DA轉(zhuǎn)換芯片和串行通信芯片連接，上位機(jī)通過串行通信芯片與單片機(jī)連接，DA 轉(zhuǎn)換芯片的精準(zhǔn)電壓輸出端與電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的恒定電壓輸入端連接，壓阻式壓力傳感器探頭的信號輸出端同時(shí)與儀表放大器和電流串聯(lián)負(fù)反饋電路連接，電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的恒定電流輸出端與壓阻式壓力傳感器供電端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述電流串聯(lián)負(fù)反饋電路包括運(yùn)算放大器，DA轉(zhuǎn)換芯片精準(zhǔn)電壓輸出端與運(yùn)算放大器的同向輸入端連接，運(yùn)算放大器的輸出端和反向輸入端與壓阻式壓力傳感器的供電端連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于二維正交函數(shù)的壓力傳感器溫度和壓力互補(bǔ)裝置。所述裝置包括壓阻式壓力傳感器探頭、MCU平臺、上位機(jī)，單片機(jī)分別與EEprom、儀表放大器、電流串聯(lián)負(fù)反饋電路、DA轉(zhuǎn)換芯片和串行通信芯片連接，上位機(jī)通過串行通信芯片與單片機(jī)連接，DA轉(zhuǎn)換芯片的精準(zhǔn)電壓輸出端與電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的恒定電壓輸入端連接，壓阻式壓力傳感器探頭的信號輸出端同時(shí)與儀表放大器和電流串聯(lián)負(fù)反饋電路連接，電流串聯(lián)負(fù)反饋電路的恒定電流輸出端與壓阻式壓力傳感器供電端連接。本實(shí)用新型電路結(jié)構(gòu)簡單、在保證精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了壓力傳感器的壓力信號和溫度信號相互補(bǔ)償?shù)姆椒?，提高了其魯棒性?br> 文檔編號G01L1/18GK202141543SQ201120226410
公開日2012年2月8日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者曾宇森, 秦華標(biāo), 黃若浩 申請人:華南理工大學(xué)