车用压力传感器自动化校准系统的设计

李埃荣 王军 卢建阳 刘志军

摘 要：压阻式压力传感器在汽车行业的使用中非常广泛，这一传感器的性能直接影响到了汽车的性能以及安全。目前我国所设计制作的压力传感器大多需要耗费较高的成本，而且精度上也达不到预期的效果。本文从压阻式压力传感器的补偿校准方法出发，对其进行一定的了解，在此基础上设计出更优的校准系统，最终的实验结果显示数据精度更高，这也体现了该设计的实用性。

关键词：车用压力传感器 自动化 校准系统

压力传感器对于汽车来说是非常重要的一个组成部分，该设备是采用的半导体材料进行制作的，所以非常容易受到温度的影响，对温度进行补偿校准是非常有必要的。而这一温度补偿的精度也直接的影响到了压力传感器的性能，进而也影响到了汽车的使用。传统的补偿校准多是通过手动来完成的，这也使得校准结果有着较大的不确定性，所以本文设计了压力自动化校准系统，旨在解决这一补偿校准精度问题。

1 压阻式压力传感器的补偿校准方法

1.1 硬件补偿

硬件补偿多是采用的结构对称的方式，这一补偿方式是要求在校准的装置中添加相应的附加电路，最终形成与温度漂移大小差不多的数值，从而实现补偿效果。硬件补偿有着较强的实时性，但是容易受到外界因素的干扰，所以只能够选取一个部分进行补偿，在调整过程中也较为麻烦。近几年来，也有着不少的科研人员对这一补偿方式进行了研究，但是却并未有所突破，该种方法只能够对系统误差以及已经了解到的误差起到作用，对于一些随机产生的误差作用不大。

1.2 软件补偿

软件补偿与硬件补偿不同的是，不能够对硬件上进行操作，而是将压力传感器以及处理模块做成一个整体，利用各种运算以及处理功能，对压力传感器中的温度进行补偿，这一方式不仅能够对温度进行补偿，而且能够对传感器中的一些指标进行完善，使得测量紧固更高，也能够有效的保持温度稳定。相对来说，软件补偿精度更高，而且成本较低，实时性也更强，能够及时的进行调整，所以选择软件补偿更加的实用。

2 校准系统组成

校准系统的设计中压力传感器是重点所在，除此之外，还有工业控制机、数据采集卡等系统，以下是校准系统的各个模块设计。

2.1 数据采集与控制模块

在本次设计中，数据采集选择的是研华PCI-1716这一板卡，它有着16位的A/D转化器，而且采集的速率也高达100kHz，能夠快速的获取到数据，而且数据具有一定的实时性，有着较高的精度。当压力信号转变为相应的电压信号之后，将该信号接入到数据采集中的输入端，将数据传入到上位机中，在该过程中对信号进行检测分析，最终得出测试结果。与此同时，也要控制电磁阀的状态。控制模块中多是通过上位机以及单片机进行控制，这一模块的主要功能是要求上位机对整个系统的运行进行一个整体的控制，而单片机则是负责校准中的通信控制。

2.2 压力控制模块

压力控制主要包括两个方面，一是硬件，二是软件。硬件部分中的压力控制又分为粗调和细调，若是选择粗调，就选用比例阀来完成这一控制过程，而细调则是需要通过两种方式同时进行。在进行控制的过程中，首先需要采用粗调将压力控制在形应的设定值附近，之后才能够进行细调。压力控制的软件部分需要采用PID控制器或者模糊控制，这也是如今使用的较多的两种方式。PID控制算法较为简单，而且有着较高的可靠性，但面对一些较为复杂的系统时，并不能完全的进行控制。而模糊控制相对来说适应性较强，所以将这两种方式进行结合能够优缺点互补，达到良好的压力控制效果。

2.3 温度控制模块

在硬件以及软件方面也有着不同的温度控制方式。首先在硬件部分多是采用的高低温箱进行温度控制，这一温度控制的范围多是在零下40度到150度之间。在进行温度控制时，采用的是韩国的“TEMI-990”这一系统，这一系统有着独特的数据存储功能，而且能够通过配置PS232来扩展功能，也能够对设备进行监控。软件部分多是采用的RS232这一接口，使得上位机能够对温度进行控制。

2.4 数字化压力传感器温度补偿模块

数字化的压力传感器这一系统最终要对温度进行补偿。而所提到的压力控制以及温度控制也是为了能够获取到更加准确的数据，使得这一模块中的补偿精度更高。数字化压力传感器的补偿过程分为预先测试、补偿系数写入、最终补偿这三个部分，预先测试这一阶段主要是使用一些专用的电路来对每个温度的系数进行测试修正，而补偿系数写入则是要在温度进行补偿之后，将生成的相关系数写入到外部的存储器上。而最终的温度补偿则是在补偿的过程中，对温度变化进行细致的观察，最终检测出相应的校准系数，并存储到寄存器中。

3 软件设计

在进行设计的过程中，考虑到虚拟仪器技术能够缩短周期，所以选择了利用这一技术进行开发。本文使用的平台为Matlab以及LABVIEW，最终对软件进行开发，实现数据采集、压力控制等各个功能。除此之外，本次设计还调用了vi的这一模式来进行校准，将各个功能单独的实现，最终交给主程序进行处理。

4 数据采集与处理

4.1 数据处理与误差分析

本次实验过程中利用到了汽车用压力传感器ICS1451，对数据进行一定的处理分析。该实验最终显示经过补偿之后，传感器的数据误差显然小了很多。本次测试了五组数据，补偿之前的误差分被为0.0522、-0.0341、0.0244、0.0680、0.0208，而补偿之后的误差为-0。0032、0.0008、-0.0021、0.0018、0.0003，可见在进行补偿之后的误差精度有了明显的提高，这也能够说明该设计的可行性。

4.2 系统评定

为了验证该系统的可靠性，最终根据我国的机械行业的相关标准对该设备进行了一定的评测。首先对其测量能力指数进行了测算，该测算是要将样板在设备上反复的进行安装之后，测试其标准偏差，最终得到的测量能力指数为3.01，该数据大于2，说明本次设计的装置符合相应的规范。既能够达到更精准的数据，减少了误差，而且符合相应的机械标准，这说明该系统是具有着很高的实用性的，并在一定程度上，能够有效的提高车用压力传感器的性能，同时能够有效的提高汽车的性能。

5 结束语

本文通过对补偿校准方法进行研究了解，最终设计出车用压力传感器自动化校准系统，最终这一系统通过了相关的检测评定。实验表明，该系统有着较高的精准度，而且误差也稳定在了0.1%以内，所以该设计是有着一定的实用性的。另外该系统在使用过程中，能够同时对多个传感器进行校准，所以效率上有着一定的保证，极大的减小了汽车生产过程中的压力。这一自动化系统还能够自主的对压力与温度进行控制，而且能够达到相关的要求规范，所以完全可以应用于汽车压力传感器的校准中。

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