一种新型石油管道压力传感器的设计*

何 锋，储建华，宋小波，刘忠杰，毕世书，李 芬

(1.中国科学院合肥物质科学研究院先进制造技术研究所，江苏常州213164;2.常州先进制造技术研究所，江苏常州213164)

0 引言

输油管道因腐蚀和打孔盗油造成的石油泄漏严重影响输油管道安全并造成巨大的经济损失，需要进行连续不间断的输油管道监测。常规安全监测主要靠人工沿管线定时巡视和读取数据，不仅耗费大量的人力、物力和财力，而且不能保证实时有效的发现和报警，对管道的安全运行十分不利。近年来，有学者提出了一种Zig Bee和GPRS混网组成的无线传感网络［1］来监控管网状态，存在费用高的特点，针对这一难题，设计出一种新型带有无线数据传输功能的压力传感器，能连续不间断有效监测管道内流体的正面冲击的瞬时压力和对管壁的作用力，利于油田计量站进行实时监控和统一调度。

针对多维力的测量，有不同学者提出了多种结构，其中有 Stewart式平台结构［2］、一板两杆式结构［3］、直角组合型结构［4］等。本文采用了十字梁式结构进行设计，介绍了传感器的结构设计、弹性体设计和测量原理，以及传感器的无线射频传输和数据处理流程。最后给出了传感器标定的方法和实验结果。

1 传感器设计

1.1 传感器机械结构

传感器由弹性体机械部分和信号处理系统两大部分组成。弹性体机械部分如图1所示，主要由弹性接触装置、弹性体梁装置和固定装置三部分组成。信号处理系统包括测量电路、无线传输电路、数据采集放大电路、应用软件等几部分。传感器处理电路和弹性体集成为一个传感器本体，使用CMOS电池进行供电，传感器整体进行密封操作，能长期置于管道内进行测量。整个传感器采用LY12硬铝材料，弹性模量E为70×109N/m2，泊松比 μ为0.3，密度为2.7×103kg/m3，内外径分别为38，54 mm，弹性接触头内外径分别为38，34 mm，传感器的压力量程为±150 N。

1.2 传感器弹性体设计与测量原理

如图2所示，在弹性体的十字梁上对称贴上箔式电阻应变计，横轴与纵轴梁上的4个应变计电阻组成惠斯通全桥电路(见图3)，实现输出信号的自动解耦。应变计间使用直径25μm的细铜线焊接。

图1 传感器机械结构图Fig 1 Mechanical configuration diagram of the sensor

图2 传感器贴片示意图Fig 2 Arrangement of the stain gauge

图3 箔式应变计组成的惠斯通全桥电路Fig 3 Wheatstone bridge formed by the foil strain gauge

传感器受到外力作用时，由于力的大小方向的不同，各个方向的应变计受到的应力也不一样，根据应变计的电阻变化，可以得到力与应变的关系。

由于电阻变化值ΔRFn正比于传感器的力信号，因此，桥路的输出电压信号随外力改变而变化，测量输出电压信号就可以得到被测目标的力信号。

2 数据采集与处理系统

2.1 无线传输电路和采集放大电路

由于传感器长期置于管道内，采用无线射频模块NRF2401［5］进行数据传输，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶振和调试器等功能模块，输出功率和通信频道能通过程序进行配置，芯片功耗低，工作电流只有10.5 mA，接收信号时工作电流仅仅为18 mA，适用于电池供电的场合，使用该芯片对传感器A/D转换的数字信号进行应答式传输，能够满足传感器信号传输的需求。采集放大电路使用MSP430F1232 芯片［6，7］来完成 A/D 转换、标定计算、力值输出、无线芯片控制等功能，具体的电路图见图4。

图4 传感器信号处理电路图Fig 4 Signal processing circuit of the sensor

2.2 软件设计

单片机上电工作后，在主程序中进行芯片AD引脚数据采集，得到当前传感器的数据值，并对数据进行相应的滤波处理，当主程序监听到上位机传来的呼叫数据指令后，将数据传送给上位机，上位机通过ID号来识别不同的传感器，以达到同时监控各类不同传感器的目的。单片机软件工作流程图如图5所示。

图5 单片机工作流程图Fig 5 Working flow chart of the SCM

3 传感器标定

对管道压力传感器标定过程中，对施加在传感器力(F)和力矩(M)两条梁上的载荷和敏感桥路的关系进行了测量，其测量值(AD码值)与所加N数值的对应关系如图6(a)，(b)所示。从图6(a)，(b)中可以看出:传感器加力时，所受载荷和传感器敏感桥路之间的映射关系基本上具有较好的线性度，传感器误差为2.1%。通过标定可知，传感器灵敏度、线性、重复性和滞后的指标均与设计要求一致。

4 结论

本文研究了一种用于石油管道压力检测的传感器，该传感器使用了无线信号进行传输，系统功耗低，安装方便，适于多管网流体传输情况的集中监控，对油田计量站改进生产效率，节省成本支出，实现数字化分析有着十分重要的意义。传感器的性能测试和标定结果分析表明:该结构传感器具有较好的线性度和灵敏度。

图6 x轴F/M载荷与传感器输出数字值关系图Fig 6 Relation diagrams of x-axis(M/F)load and output voltages(AD value)

［1］马小强，张春业，张波，等.基于Zig Bee和GPRS的管道监测网络设计［J］.计算机工程，2010，36(5):128－130.

［2］Mote W L C D.Development and calibration of a sub-millimeter three-momponent force sensor［J］.Sensors and Actuators，1998，65:88－94.

［3］沈 辉，吉爱红，颜化冰，等.一种二维力/扭矩传感器的设计［J］.传感器与微系统，2006，25(1):63－65.

［4］史 炎.用于摩擦系数测量的二维力传感器［J］.内燃机车，2002(2):41－42.

［5］陈丽娟，常丹华.基于nRFID2401芯片的无线数据通信［J］.电子器件，2006，29(1):248－250.

［6］刘志平.基于MSP430和NRF2401的WSNs节点设计［J］.国外电子测量技术，2009，28(8):57－59.

［7］房泽平.基于双MCU和nRF2401的无线传感器网络系统［J］.自动化仪表，2009，30(8):25－27.