一種水下數(shù)字式深度傳感器設(shè)計及標(biāo)定方法

王家鑫，劉征宇，張 騰

（1.海裝駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 201206；2.上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已成為測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。壓力傳感器在各類傳感器中的應(yīng)用最為普遍，具有體積小、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、成本可控和便于集成等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于液位測量、高度測量、深度測量、流量測量等多個領(lǐng)域。壓力傳感器因其長期穩(wěn)定性、高可靠性及加工工藝成熟等優(yōu)點還被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、軍事防御、科學(xué)考察等方面。

通過查閱國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品資料和文獻(xiàn)得知：國內(nèi)從事研發(fā)生產(chǎn)壓力傳感器的單位有大連西格瑪流體控制技術(shù)有限公司、西安華舜測量設(shè)備有限公司、寶雞傳感技術(shù)研究所。大體上產(chǎn)品量程為0～700 kPa時，精度為0.3% FS；量程為0～10 MPa 時，精度為0.5% FS～1% FS。韓國SONDAR 公司的超聲波液位計和冰島Star Oddi 公司的溫深儀，量程為0～1 000 kPa 時，精度為0.1% FS；量程為0～6 MPa時，精度為0.3% FS～0.5% FS。

在筆者所從事行業(yè)工程應(yīng)用中，大量程、高精度以及高抗干擾性產(chǎn)品較為缺乏，尤其在一些水下遠(yuǎn)距離拖曳應(yīng)用場景體積、精度和量程均需要兼顧的情形下可選產(chǎn)品極為受限，一些精度為0.1%FS的大量程水下深度傳感器價格十分昂貴。筆者曾對比過國外知名公司StarOddi 的DST 系列產(chǎn)品和Starmon TD 系列產(chǎn)品，兩系列產(chǎn)品均主要應(yīng)用于海洋環(huán)境測量。DST 系列體積十分微小，便于使用，但實際測量精度較差，在使用中甚至出現(xiàn)實測精度未達(dá)到手冊所列參數(shù)的情況，而且線性度不良，往往需要使用時在所用不同水深選用不同型號產(chǎn)品進(jìn)行多枚配合使用。Starmon TD 系列產(chǎn)品體積較大，線性度較好，精度為0.3% FS～0.5% FS，但由于體積較大和精度不高應(yīng)用場景也較為受限。

現(xiàn)今，在水下設(shè)備的設(shè)計和功能實現(xiàn)過程中，朝著智能化、集群化等方向發(fā)展，對傳感器的精度、線性度，抗干擾能力和一致性方面均有較高需求。所以高精度深度傳感器對于水下設(shè)備功能的實現(xiàn)具有重要的意義。

目前在水下設(shè)備中大部分使用的是模擬量深度傳感器，由于深度傳感器原理是將壓力應(yīng)變片測量的水壓信號轉(zhuǎn)換為電信號后再經(jīng)過處理和換算得到所需的水深數(shù)據(jù)，但由于壓力應(yīng)變片自身產(chǎn)生信號量級非常小，且具有不同程度的非線性特性，導(dǎo)致應(yīng)變片本身基本不具有測量水深信號并直接進(jìn)行傳送的能力。目前成熟的做法是通過運放模擬電路對應(yīng)變片產(chǎn)生的信號進(jìn)行調(diào)理和零偏校準(zhǔn)，在某些高端傳感器中，通過在量程中分段采用運放模擬電路調(diào)理的方式，以達(dá)到克服壓力應(yīng)變片非線性這一特性。但受到模擬量自身缺點的限制，在較長距離傳輸或者強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下使用非常容易受到干擾，且往往受到深度傳感器體積的限制對應(yīng)變片量程內(nèi)非線性分段調(diào)理電路無法做到細(xì)分[1-2]。

故本文提出一種數(shù)字式深度傳感器設(shè)計標(biāo)定方法，采用高精度模數(shù)混合處理器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和標(biāo)定運算后經(jīng)過數(shù)字信號的方式對深度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，該方法克服了模擬信號不能長距離傳輸和抗干擾差的缺點且在標(biāo)定時可在壓力應(yīng)變片量程內(nèi)細(xì)分甚至微分進(jìn)行數(shù)字標(biāo)定，以克服壓力應(yīng)變片的非線性特性。

1 仿真與實驗驗證

1.1 仿真計算

本文提出的數(shù)字式深度傳感器設(shè)計，采用24位差分ADC 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換運算，采用的壓力應(yīng)變片量程為 7 MPa，滿量程輸出為270 mV，線性度為0.5%，理論無損失采樣分辨率（LSB）如下：

LSB=7000×270/ 224=0.113 kPa

不考慮采樣損失，通過上述計算結(jié)果可以看出，采樣精度接近于全量程的十萬分之一，但考慮到應(yīng)變片線性度為0.5%，為制約傳感器設(shè)計的主要因素。

由于壓力敏感元件壓力應(yīng)變片均存在一定程度的非線性因素，本設(shè)計采用微分的方式進(jìn)行擬合標(biāo)定。本文論述所要進(jìn)行標(biāo)定的壓力傳感器壓力應(yīng)變片采用的是麥克傳感器股份有限公司的壓敏元件，手冊標(biāo)稱的非線性參數(shù)最大值為±0.5% FS。選用滿量程7 MPa 的應(yīng)變片可以計算出由于應(yīng)變片自身非線性因素可造成誤差為±35 kPa，造成的深度誤差約有3.5 m；若考慮到電路自身也存在的一些非線性因素，誤差可能會進(jìn)一步增大。

如圖1所示，我們采用仿真的方式，人為在0～2 MPa 范圍內(nèi)，以100 kPa 為步進(jìn)創(chuàng)建20 組虛擬數(shù)據(jù)。藍(lán)色曲線為實際壓力值，紅色曲線為未進(jìn)行標(biāo)定的測量值。

圖1 虛擬數(shù)據(jù)標(biāo)定前對比示意圖Fig.1 Comparison diagram of virtual data before calibration

由于假設(shè)數(shù)據(jù)有限，我們以400 kPa 為步進(jìn)對紅色測量值曲線進(jìn)行細(xì)分，并進(jìn)行標(biāo)定擬合[3]。我們假設(shè)100 kPa 時測量值x1，實際值為y1，400 kPa時測量值為x2，實際值為y2，我們采用一次函數(shù)擬合的形式列方程如下所示：

通過式（1）和式（2）聯(lián)立計算出

將第一段的數(shù)據(jù)代入式（3）和式（4），計算出標(biāo)定參數(shù)我們記作k1和b1，同理依次在0～2 MPa 內(nèi)計算出k2、k3、k4、k5和b1、b2、b3、b4、b5。

將計算所得標(biāo)定系數(shù)代入原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運算并繪制標(biāo)定后數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)對比曲線如圖2所示。

圖2 虛擬數(shù)據(jù)標(biāo)定前后對比示意圖Fig.2 Comparison diagram of virtual data before and after calibration

人為在真實值附近隨機(jī)假定一些不固定誤差的點，并擬合成曲線。從圖2可以看出該假設(shè)數(shù)據(jù)與目標(biāo)曲線之間存在著很大的非線性情況，標(biāo)定之后的曲線已經(jīng)與實際曲線非常接近了。故通過仿真的數(shù)據(jù)驗證了該校準(zhǔn)方法對提高傳感器精度具有顯著的效果。

1.2 實驗驗證

1.2.1 傳感器精度驗證

壓力傳感器硬件電路設(shè)計框圖如圖3所示。RS485[4]收發(fā)器作為傳感器對外數(shù)據(jù)交互的驅(qū)動電路，由控制器實現(xiàn)功能的編寫。控制器負(fù)責(zé)通過RS485 收發(fā)器接收上位機(jī)發(fā)出的標(biāo)定命令以及標(biāo)定數(shù)據(jù)，控制器對上位機(jī)的指令按照相應(yīng)的通信協(xié)議進(jìn)行解碼并進(jìn)行相應(yīng)的回復(fù)。控制器在收到每一包完整的數(shù)據(jù)后根據(jù)報頭以及相應(yīng)的校驗內(nèi)容對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，當(dāng)確定該數(shù)據(jù)為表標(biāo)定參數(shù)數(shù)據(jù)后，將控制器內(nèi)部的部分程序存儲器進(jìn)行擦除當(dāng)作非易失存儲器使用，并將該標(biāo)定參數(shù)寫入到制定的存儲空間中去[5]。

圖3 傳感器硬件電路設(shè)計框圖Fig.3 Design block diagram of sensor hardware circuit

控制器采用Silicon Labs 公司的C8051F351 混合信號微控制器。C8051F351 控制器是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，該型微控制器在本系統(tǒng)中優(yōu)點具有：①高速、流水線結(jié)構(gòu)可達(dá)50 MIPS，以保證有足夠的處理速度來參與標(biāo)定運算；②24位差分ADC，以保證有足夠的采樣精度獲取到壓力應(yīng)變片更真實的模擬量，差分輸入接口保證壓力應(yīng)變片在經(jīng)過電阻匹配補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后能夠直接無隙連接，避免再經(jīng)過模擬匹配電路而引起的微小信號損失；③ 8KB 在片F(xiàn)LASH 程序存儲器，較大的程序存儲器保證了傳感器軟件程序中可以進(jìn)行大量復(fù)雜邏輯編寫的同時，仍具有冗余的空間進(jìn)行相應(yīng)的大量標(biāo)定參數(shù)存儲；④增強(qiáng)型UART 接口提供了傳感器對外交互的通信通道；⑤28 腳QFN 封裝的芯片面積為5 mm×5 mm，保證了傳感器硬件電路可以做到微型化；⑥內(nèi)建可編程PGA 增益放大器，由于壓力敏感元件在0～7 MPa 量程內(nèi)輸出范圍僅有0～300 mV 左右，故該可編程增益放大器在無模擬放大電路的情況下仍然具有微小信號的取樣能力，進(jìn)一步降低了應(yīng)變片原始信號的損失。

壓力傳感器軟件根據(jù)功能劃分為上位機(jī)軟件和傳感器自身嵌入式軟件。上位機(jī)軟件采用Labwindows CVi 環(huán)境進(jìn)行開發(fā)[6]，主要功能為：①向傳感器發(fā)送控制命令使傳感器進(jìn)入標(biāo)定模式；②獲取傳感器測量原始參數(shù)和外部加壓設(shè)備施加壓力參數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行標(biāo)定參數(shù)計算；③向傳感器發(fā)送標(biāo)定參數(shù)。壓力傳感器軟件采用keil 環(huán)境進(jìn)行開發(fā)主要功能為：接收并校驗上位機(jī)軟件發(fā)送的命令和參數(shù)，進(jìn)行應(yīng)變片模擬量采集量化，進(jìn)行標(biāo)定運算，輸出壓力數(shù)據(jù)。

為驗證該標(biāo)定方法的實際使用效果，通過繪制PCB 電路和加工傳感器外殼制作樣品傳感器[7]。由于該方案取消了模擬調(diào)理放大部分電路，極大程度上縮小了電路的規(guī)模，PCB 外形如圖4所示，PCB尺寸為10 mm×45 mm。

圖4 傳感器PCBFig.4 PCB of the sensor

通過外部加壓設(shè)備對未進(jìn)行標(biāo)定的樣品傳感器以100 kPa 為步進(jìn)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標(biāo)定前傳感器測試結(jié)果Table 1 Test results of sensor before calibration kPa

從表1中可以看出未標(biāo)定前傳感器受自身應(yīng)變片±0.5%FS 非線性因素影響存在一定的非線性，并且在某些區(qū)域加入電路后的非線性誤差已經(jīng)超過該應(yīng)變片自身的非線性誤差范圍，實際壓力與測量壓力對比曲線如圖5所示。

圖5 標(biāo)定前傳感器測試結(jié)果與實際壓力對比曲線Fig.5 Comparison curves of test results and actual pressure of the sensor before calibration

由于壓力傳感器在整個量程內(nèi)的非線性因素并沒有1.1 章節(jié)仿真時所假設(shè)的數(shù)據(jù)那么大，故從圖5可以看出在未標(biāo)定前壓力傳感器基本為線性，但在中間段還是可以看出存在明顯的非線性情況，參照表1中的測試數(shù)據(jù)可以看出在4.1MPa 情況下傳感器的誤差已經(jīng)達(dá)到了+80 kPa，深度約為8 m。這個誤差對于設(shè)備的精確控制有著不可忽略的影響。

采用1.1 章節(jié)所采用的標(biāo)定方法，我們采用300 kPa 為步進(jìn)對該傳感器進(jìn)行標(biāo)定[8]。測試數(shù)據(jù)如表2所示，曲線如圖6所示。

表2 標(biāo)定后傳感器測試結(jié)果Table 2 Test results of sensor after calibration kPa

圖6 標(biāo)定后傳感器測試結(jié)果與實際壓力對比曲線Fig.6 Comparison curves of test results and actual pressure of the sensor after calibration

從表2可以看出，標(biāo)定后的壓力傳感器在整個量程內(nèi)均具有很高的精度，在極個別測試點最大誤差只有3 kPa。從圖6可以看出，標(biāo)定后的曲線與實際施加壓力數(shù)值曲線已經(jīng)幾乎完全重合，精度遠(yuǎn)高于0.1% FS。

1.2.2 傳感器抗干擾對比測試

為驗證本方案傳感器抗干擾性能，采用本方案設(shè)計傳感器和某公司0.3% FS 模擬傳感器，采用5 m 長傳輸電纜，均加壓1 Mpa（約等于水深100 m）均工作在某產(chǎn)品中2 kW 電機(jī)動力系統(tǒng)中測量測試1 min（采樣率均設(shè)置100 Hz）。

在電機(jī)不運行，壓力傳感器接入系統(tǒng)情況下測試數(shù)據(jù)如圖7–8 所示。

圖7 本方案傳感器無干擾環(huán)境下測試結(jié)果Fig.7 Test results of the sensor in our scheme in non-interference environment

圖8 模擬傳感器無干擾環(huán)境下測試結(jié)果Fig.8 Test results of analog sensor in non-interference environment

從圖中可以看出，在電機(jī)未開啟情況下，本方案傳感器靜態(tài)測試數(shù)據(jù)在測量精度范圍內(nèi)完全與施加壓力相等。對比使用的模擬傳感器，存在較大的隨機(jī)噪聲夾雜在整個測量數(shù)據(jù)中，可能由于測試線纜的加長；對比使用的模擬量傳感器，接入系統(tǒng)后未啟動電機(jī)干擾源，表現(xiàn)效果已經(jīng)差于該傳感器單獨測量數(shù)據(jù)。

在電機(jī)干擾源啟動后，再分別對2 個傳感器進(jìn)行重復(fù)相同測試，測試數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示。

圖9 本方案傳感器干擾環(huán)境下測試結(jié)果Fig.9 Test results of the sensor in our scheme in interference environment

圖10 模擬傳感器干擾環(huán)境下測試結(jié)果Fig.10 Test results of analog sensor in interference environment

從圖上可以看出，在電機(jī)開啟加入干擾情況下，2 個傳感器均出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動，但本方案傳感器測試數(shù)據(jù)在±1 kPa 范圍內(nèi)波動，對比使用的模擬傳感器，波動范圍則進(jìn)一步加大，極個別點存在誤差較大的情況。

3 結(jié)束語

從上述實驗驗證結(jié)果看到，本文論述的數(shù)字式壓力傳感器的設(shè)計以及標(biāo)定方法，通過前期的仿真計算以及后期的制作樣品進(jìn)行測試，極大地提高了現(xiàn)有水下深度傳感器的測量精度。由于采用數(shù)字化電路，極大地縮小了傳感器的體積，采用對外數(shù)字接口輸出，提高了傳感器自身的抗干擾能力，尤其在拖曳等長距離或強(qiáng)干擾環(huán)境中應(yīng)用時有顯著的表現(xiàn)。本方案極大地簡化了電路設(shè)計，經(jīng)濟(jì)性突出。該設(shè)計思路以及標(biāo)定方法對水下設(shè)備在深度方面的高精度測量應(yīng)用有較大的工程應(yīng)用價值與借鑒意義。