车用压力传感器自动化校准系统的设计

孙马驰，林 敏，郭 斌

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州310018）

硅压阻式压力传感器是车用压力传感器的一种，压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，故需要对它进行温度补偿校准［1］.对传感器温度补偿校准的精度直接决定压阻式压力传感器的输出性能进而影响汽车的整体性能.

压力传感器的传统校准方式是通过手动完成，工作效率低，自动化程度低，而且由于校准过程操作环节多而繁琐，容易引入人为误差，对压力传感器性能参数确定带来较多的不确定性，所以不能很好地适用于汽车工业中大批量生产压力传感器的情形［2］.

本文设计了一个压力自动化校准系统，能高质量、快速完成多个压力传感器的校准，还可避免传统校准方存在的人为失误带来的弊端.该校准系统效率高且自动化程度高，适用于汽车工业中大批量生产压力传感器的情形.

1 校准系统组成

该校准系统由压力传感器、数据采集卡、工业控制机、电磁阀、比例阀、高低温箱、系统软件等组成.校准系统的原理如图1.

图1 校准系统原理图Figure 1 Principle diagram of the calibration system

图2为系统硬件结构框图，按功能定义划分为数据采集与控制模块、压力控制模块、温度控制模块、数字化压力传感器温度补偿模块.

图2 系统硬件结构框图Figure 2 Structure diagram of hardware

1.1 数据采集与控制模块

数据采集卡选用研华PCI-1716板卡，具有16位A／D转换器，采样速率可达100kHz，16路单端模拟量输入，板载1K采样FIFO缓冲器，每个输入通道的增益可编程.满足了系统高速实时、高精度采样的要求［3］.

压力信号经信号调理模块转化为标准的1～5V电压信号，以差分输入形式接入数据采集卡模拟量通道的输入端，以波特率40kb／s的采样速率经传输至上位机，由上位机测试软件完成采样数据的处理、分析，并给出测试结果.同时经继电输出板输出数字量信号控制电磁阀状态，经I／O端子板输出模拟量信号控制比例阀输入量大小.

控制模块主要是上位机和单片机系统，上位机负责系统软件的执行和系统的总体控制，单片机系统负责校准过程中传感器和上位机的通信和系统电压的转换.

1.2 压力控制模块

压力控制模块分为硬件部分和软件部分.

1.2.1 压力控制模块的硬件部分 硬件模块主要包括比例阀和高速电磁阀，压力控制过程分为二步：粗调和细调.粗调主要由比例阀完成，细调由两个告诉电磁阀完成，一个排气另一个充气.压力控制开始时，首先进行压力粗调把压力控制在压力设定值附近，然后再进行细调，把压力控制控制在压力设定值上.

比例阀直接由上位机通过数据采集卡控制，高速电磁阀我们采用频率占空比可调的PWM波控制.压力控制原理图如图3.

图3 压力控制原理图Figure 3 Principle diagram of pressure control

1.2.2 压力控制模块的软件部分 校准系统压力控制采用模糊参数自整定PID控制器.PID控制和模糊控制是当今应用较为广泛的两种控制方式.PID控制具有算法简单、可靠性高以及无静差等优点，但对大滞后、时变、非线性的复杂系统适应能力差，无法取得预想的控制效果；模糊控制具有不依赖对象数学模型、适应能力强的突出优点，但它的稳态精度差.由于两者的优点和不足存在明显的互补性，所以，将两者结合起来，构成模糊PID控制器，可以扬长避短，既具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点，对各种复杂的被控对象、不同的控制指标都可以取得理想的控制效果［4］.

模糊参数自整定PID控制器主要由参数可调整的PID控制器和模糊控制器两部分组成.模糊控制器以偏差E和偏差变化率Ec作为输入，以常规PID控制器的三个参数Kp、KI、KD为输出，采用模糊推理方法实现对参数Kp、KI、KD的调整，以满足不同时刻偏差E和偏差变化率Ec对PID参数自调整的要求［5］.

模糊参数自整定PID控制器结构实现图如图4.

图4 控制器结构实现图Figure 4 Structure diagram of controller

模糊控制器我们采用2输入-3输出的结构，2个输入为偏差E和偏差变化率Ec，三个输出分别为PID控制器的三个参数Kp、KI、KD，模糊控制器的结构如图5.

图5 模糊控制器的结构Figure 5 Structure of fuzzy controller

1.3 温度控制模块

温度控制模块分为硬件部分和软件部分.

1.3.1 温度控制模块的硬件部分 硬件部分主要是高低温箱，我们用到的高低温箱的温度范围是-40℃～＋150℃，控制系统采用韩国“TEMI-990”彩屏液晶显示触摸屏可编程温控仪，自带试验数据存储功能，可通过标准配置RS232通讯接口扩展其功能，实现对设备的远程监控.

1.3.2 温度控制模块的软件部分 控温软件是基于RS232接口实现上位机和高低温箱控制器的通讯功能，实现直接利用上位机对高低温箱进行操作从而控制温度，控温软件的主界面如图6.

图6 控温软件的主页面Figure 6 Software interface of temperature control

1.4 数字化压力传感器温度补偿模块

被校准的部分是一个数字化压力传感器，数字化压力传感器主要由压阻式压力传感器ICS1451、补偿芯片 MAX1452、稳压电路和一系列外围电路组成［6］，其结构原理图如图7.

图7 数字化压力传感器结构原理图Figure 7 Structure diagram of digital pressure sensor

该校准系统的最终实现目的是数字化压力传感器的温度补偿，前面的压力控制和温度控制模块的目的也是为了获得一个更精确的参数，使数字化压力传感器温度补偿后的精度更高.

数字化压力传感器的补偿过程分为以下几个步骤如图8.

图8 数字化压力传感器补偿流程图Figure 8 Compensation flowchart of digital pressure sensor

预先测试指的是在若干具有代表性的温度下，利用测试专用电路及根据传感器的温漂特性，确定每个温度下各修正系数.补偿系数写入指的是在需要校准的每个温度点都进行补偿后，软件将自动根据不同补偿温度下FSO DAC和OFF DAC的值拟合出从-40～＋125℃范围内，以1.5℃为间隔的所有补偿参数（以ICS1451传感器和MAX1452补偿芯片为例），然后把补偿系数以数字量的形式写入外部存储器EEPROM中，这样就完成了测试和写入工作.最终补偿指的是补偿时，MAX1452利用片内温度传感器检测环境温度，每毫秒经ADC转换成一个8位数传输到温度指示寄存器，形成温度指示指针.根据温度的变化，此指针在内部EEPROM查询表中检索出对应温度点的4个DAC的校准系数，通过串行接口从EEPROM中加载到相应寄存器，然后经DAC转换成模拟量，来修正传感器输出信号中满量程和零点的温度漂移［7-9］.

2 软件设计

使用虚拟仪器技术可以大大缩短软件的开发周期，增加程序的可复用性，从而降低测试成本［10］.因此，本文以LABVIEW 和 Matlab为平台进行软件开发，实现数据采集处理、压力控制、温度控制、温度补偿等功能，其中压力控制是通过LABVIEW调用预先写在Matlab中的模糊规则来实现的.

软件采用主程序调用子vi的模式进行产品校准.各个子vi完成其单独的功能，并将处理结果提交给主程序处理.系统软件流程图如图9.

图9 系统软件流程图Figure 9 Software flowchart of testing system

3 数据采集与处理

3.1 实验要求和数据记录

实验中所用到的压力传感器型号为汽车用压力传感器ICS1451，补偿芯片采用 MAX1452，在实验过程中由于条件的限制，所以测量的压力量程为0～0.6MPa，而供电采用电压为24V的直流电.测得的数据和误差如表1.

表1 25℃所测数据和误差计算Table 1 Experimental data and error calculation of 25℃

3.2 数据处理和误差分析

图10～12分别为温度补偿前输出曲线、补偿后输出曲线和标准输出曲线.图10为进行温度补偿前输出端所输出的信号图，由图中可以看出，补偿前信号输出端所输出的信号是比较弯曲的一条没有规律的曲线，零点存在漂移误差，说明未补偿的传感器误差比较大.图11为补偿后输出曲线图，经过补偿后实际测得的信号，可以从图中得知，补偿后的误差明显比没有补偿前的误差小很多，而且接近于标准输出曲线.图12为标准输出曲线是数字化压力传感器在零误差情况下输出的信号曲线图.图13为是补偿前后输出误差的对比图，形象且直观的反映出补偿前后的区别.

图10 补偿前输出Figure 10 Output without compensation

图11 补偿后输出Figure 11 Output with compensation

图12 标准输出Figure 12 Standard output

图13 补偿前后误差对比Figure 13 Error comparison without and with compensation

由表1可以看出，补偿前的误差分别为0.051 2、-0.045 2、0.024 2、0.079 0、0.021 5、0.015 4、-0.036 5，补 偿 后 的 误 差 分 别 为-0.004 1、0.000 9、-0.002 2、0.001 9、0.000 4、0.001 7、-0.003 6.前 者 的 满 量 程 误 差 分 别 为1.14%、1.00%、0.54%、1.76%、0.48%、0.34%、0.81%，后 者 的 满 量 程 误 差 分 别 为0.09%、0.02%、0.05%、0.04%、0.008 9%、0.04%、0.08%.校准补偿后的误差精度在0.1%以内后者的误差精度提高了很多，说明补偿效果明显，符合工业生产的要求.

3.3 系统评定

为验证设备的可靠性，根据《中华人民共和国机械行业标准》（JB／T 10633-2006），即《专用检测设备评定方法指南》［11］，对检测设备的一些重要检测参数进行评定.

测量能力指数Cg是一种以标准偏差为基础的重复性评定指标，目前利用其对检测设备进行评定的方法已被广泛接受，具体步骤为：将样件在设备上重复安装后测50次，根据记录下的测量数据，但若连续测量50次后，得到的标准偏差并未显著地变化，一般可将测量次数50次修改为20次，并计算出平均值和标准偏差，然后按以下公式求出测量能力指数Cg.

其中，T—被测量的公差，Sg—标准偏差

在0.3MPa，25℃时测量校准后传感器的输出电压20次如表2.

表2 0.3MPa、25℃所测数据Table 2 Experimental data of 0.3MPa，25℃

测量能力指数Cg＝3.02，Cg＞2，表明该装置满足评定标准，评定通过.

4 结 语

设计了一套基于虚拟仪器技术的车用压力传感器自动化校准系统，该系统校准精度高，校准后的压力传感器的误差精度在0.1%以内，且该系统能够通过重复性评定.该系统能同时对多个压力传感器进行校准，故校准效率高，适用于汽车工业中大批量生产压力传感器的情形.同时该校准系统自动化程度高，能够实现压力和温度的自动化控制.实验结果表明：该系统的性能指标达到要求，系统安全可靠，完全可用于工业中对车用压力传感器的批量化校准.

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