低成本压力传感器的设计与应用

吴泽球

(武夷学院，福建 武夷山 354300)

在自动化领域中采用微机控制技术是占统治地位的方法，而传感器是自动控制系统中重要的组成部分之一。如今，作为自动控制系统“大脑”的微电脑已经非常成熟，它不但功能强大，而且成本低廉，理论上可以用于各种需要自动控制的场合和设备。但实际上它基本上只能用于中高端的设备，其重要因素之一是传感器的成本往往大大高于单片机成本，大大高于市场对相应设备的价格定位，高价的传感器成为自动控制技术广泛推广与应用的“瓶颈”。因此研发低成本且实用的传感器有助于自动控制技术的广泛推广。

本文以某环保用回收设备的研制为例，阐述了低成本传感器的设计制作过程及其重要性和必要性。

在某环保用的回收设备研制中，需要使用压力传感器，如果使用现成的市售产品，因传感器价格高，会使回收设备的价格过高，使用成本高于回收到的物质的价值，产品将不会被市场接受，不符合项目要求，因此必须寻找更低成本的途径。最后选择了低价位且广泛使用的普通压力表作为传感元件，结合单片机的数据处理功能，探索了低成本压力传感器的设计制作。［1］

1 低成本压力传感器的设计

弹簧管式压力表是一类使用十分广泛的压力表，它价格低，结构简单，适用于各种流动工质的压强的测量，对恶劣工作环境的适应能力较强。广泛用于各种工业设备，特别在低成本的设备中使用更多。它利用弹簧管在压强作用下的形变得到压力变化信号，通过机械传动推动指针就可将压力指示出来。显然，如果能够将这种压力变化信号转变成电信号输出，便可以为自动控制系统的单片机所利用。

将形变变为电信号的方法很多。如，在形变体上贴应变电阻，市售的压力传感器多用此方法。但该方法是专业性很强的技术，传感器精度虽高，但其成本相对也很高，产品价格远远高于单片机。为降低成本，采取了用压力表改制的一些方法。其中光电读数法选用了成本较低的码盘来读出压力表示值，方法简单、易行，且成本低廉。其原理是将码盘装在压力表的指针轴上，1个5位的码盘，白色表示0，黑色表示1，有28个分度，如图1所示。各分格上的二进码可用光敏管读出。

图1 码盘

用感光元件就可以读出码盘上的读数。当压力表的指针轴转动时，推动码盘转动到某一位置，这个位置上的二进制码就会被感光元件读出。将这个码送到微机系统中处理，就可得到压力表的读数。图2是上述用码盘来读出压力表示值的硬件结构。但该方法在实际应用过程中还存在一些问题需要完善和解决。

1.1 码盘编码位数的确定

图2 硬件结构图

设备选用0～1.2 MPa量程的压力表，这种压力表有120个小格，每小格为0.01 MPa，每0.1 MPa为一大格，如果用7位二进码，就可以有128个二进制数，满足读出120个小格的要求，也可以满足该设备的需要。因此选用7位二进制编码。然后按7位码制作码盘和软硬件。0.01 MPa的读数精度比较接近人眼读数精度，可以满足一般设备的读数要求。

1.2 光电传感元件数据输出的码盘读数信号与设备自动控制系统微机的连接

由于选用了7位二进制码，光电传感元件数据输出也应是7位码。一般作为自动控制系统的单片机的I/O口都有8位以上，所以光电传感元件的7位读数信号输出可以直接与单片机的I/O口进行并行连接。对于8位以上的单片机，多出的I/O口可以留作它用。

1.3 读数软件设计问题

正确连接硬件后，还需要一定的程序才能正确地完成压力传感工作。软件工作的程序总体上应该是读数，然后送存储器存储。有关程序便可以读取这些数据使用。

由于设备的工作现场有各种干扰，如，电磁脉冲、振动等等，实际工况会相当复杂，这些干扰容易造成读数出现错误，在码盘相邻的2个读数的边界上的读数也很容易出错。采用适当的技术可以消除这些问题。

对于码盘相邻2个读数边界容易产生错码的问题，选用格雷码编码可以有效地消除。因为相邻2个格雷码只有1位不同，所以对于用格雷码编码的码盘相邻2个数边界上的读数，容易做到只在这位上的二进码产生变化，而不会出现其他的数，这样就使读数不会有太大变化。

读出格雷码，将其转换成其他的二进制码就可以方便地进行其他数字处理使用。

1.4 滤波方法的选择

利用微电脑的数据处理能力进行数字滤波，是滤除干扰信号的有效且方便的方法。工业现场有多种常用的数字滤波方法，如，中值滤波法、算术平均值法、一阶滞后滤波法［2］等等。不同的方法适用于不同的干扰，可按设备特性和工作环境干扰的特点选用。根据设备工作条件、被测气压、振动、测量精度等要求，该项目选用算术平均值滤波法和限幅滤波法。

算术平均值法是找一个与本次各采样值间的误差的平方和最小的值，作为本次采样的平均值，即:

由一元函数极值原理得:

算术平均值法适用于对信号的平滑处理，处理结果的平滑度和灵敏度取决于采样次数N。当N值较大时，平滑度较高，但灵敏度较低;当N值较小时，平滑度较低，但灵敏度较高。实际使用时要选取适当的N值，使其达到最好的效果而又少用计算时间。当有大的随机干扰或采样器不稳定，使采样数据偏离实际值太远时，可以用限幅滤波法。其处理方法是:当采样值|Y|≥A(A为限幅值)，则可取Y=A或Y=－A，使数据更接近实际情况。根据实验结果，用以上方法可以解决设备研制遇到的干扰问题，数据处理后得到的测量结果能满足设备的测量和控制要求。这样，传感器数字处理软件部分可以按以下流程设计:

读取码盘位置信号(格雷码 ) →转换成二进制码 →数字滤波 →送存储器，供有关程序调用。该处理软件可以嵌入到设备原有的微机或单片机控制系统中去。因此，不需要另外增加微机硬件来运行。由此可见，以上所设计的压力表传感器并没有增加多少成本，只是在设备原有的压力表上增加了格雷码码盘和光电传感读数电路，必要的微机系统部分，如，I/O口、单片机电路等，可使用设备原有的单片机系统。增加的成本与原有设备及控制系统成本相比甚微。

将上述读数处理软件嵌入到设备原有的单片机自控系统中的方法很多。在此仅介绍中断方法的嵌入原理。

单片机控制系统使用中断方法工作，将上面的软件放在中断函数中，一定时间(如，10 ms)中断和调用中断函数1次，执行读压力传感器数据、码制转换、滤波、送存储器的任务，得到1次传感结果。这种方法的硬件总体结构框图如图3所示。

图3 中断嵌入法硬件总体结构框图

2 分析和讨论

低成本是设计方案的主要目的，综上所述的软硬件结构可见，硬件方面只是在设备原有的压力表上增加了格雷码码盘和光电传感读数电路，软件方面增加了一段读数、转换、滤波程序，增加的成本很小，符合低成本目标。

2.1 误差分析

读数误差的增加:码盘是120个分格，理论上不考虑压力表原有误差，码盘光电读数部分产生的误差应为压力表最大读数的1/120，即最大读数的1/120≈0.83%，绝对值为0.01 MPa;在压力表原有误差(一般工作用压力表约为4%)上增加±0.83%的误差，与其原有误差相比增加较小，对许多低端设备而言是可以接受的。但是光电读数误差远小于人眼产生的读数误差。经数字电路处理也会引入一些误差。

综合考虑上述误差后，得到的压力传感器的误差比压力表原有误差要增加±0.85%或更多。在普通压力表4%的误差上增加±0.85%的误差，对使用不会产生较大的影响，实验结果与分析基本相符。对许多低端设备而言，增加±0.85%的误差并不影响实际使用。虽然数字处理会造成读数结果的滞后，但并不明显，这对许多低端设备来说没有影响。

综上所述，改制的传感器的非线性、稳定性、温度范围等性能，主要取决于弹簧管压力表的性能，。如果压力表刻度线性不好，在码盘分度制作时应考虑相应刻度的非线性。这样可以改善原有压力表的非线性。

2.2 存在的问题

上述设计存在的不足主要有:一是需要7个光敏管来读出7位码，由于光敏管有一定大小，排列起来有一定长度和大小，使码盘直径变大，增大了整个传感器的体积;二是码盘的转动惯量比指针要大，如果被测压力比较急剧地变化，或者机械振动大，使压力表指针抖动大时就不太适用。改进上述存在的不足之处可增大本设计方案的适用范围。在缩小体积方面，文献［3］提出了改变光敏管排列的方法。

总之，上述传感器设计是在低价位并广泛使用的弹簧管式压力表基础上，再增加少量硬件，利用设备现有微机，增加少量软件，增加的成本很少。测量性能基本取决于弹簧管压力表的性能。测量精度虽然比原弹簧管式压力表略有下降，但能够满足一般低端设备的要求，解决了普通压力传感器成本远高于设备单片机自动控制器成本的问题。这种方法也可以用于其他类似用途。该方案为自动控制技术广泛应用于低价位设备提供了有效的途径。

3 结语

低价位设备也有强烈的使用自动控制技术的需求，为了满足上述需求，并广泛推广自动控制技术在各领域的应用，必须不断开发和研制各类低成本传感器。本文用普通压力表作为将压力转换为形变的元件，利用格雷码码盘与光电读数技术，并与设备上的微机自动控制系统结合，设计的低成本压力传感器，不仅能够保证设备正常工作，而且大大降低了成本。打破了自动控制技术广泛应用于低端设备中的“瓶颈”，也为自动控制技术的推广与应用开辟了广阔的途径。

［1］吴泽球.小型制冷剂回收机测控系统的设计［D］.桂林:广西师范大学，2009.

［2］卢雪红.非金属薄膜生产线计算机测控系统研究［D］.兰州:兰州理工大学，2006.

［3］宋文杰，刘伯峰，成小华，等.风传感器风向编码器的改进［J］.山东科学，2005(5):34 －36.