基于双压力控制仪器的气压传感器的自动测量
摘要：为了能够测量高精度气压传感器在低于正常大气压的气压状态的性能，设计并实现了自动测量的仪器，可以通过一定的比例进行模拟300hPa~1000hPa的低压环境（PID）的控制，也可以通过双压力控制仪器生成各种相对湿度。 结果表明，该仪器可以快速地控制压力。 并且在最小的平均压力差下良好地运行，在500hPa的状态时波动为plusmn;0.02hPa。它可以长期保持稳定的状态。在压力传感器的性能测试中效果表现良好，该系统的结构简单，需要的资金费用少，并且操作方便。
关键词：自动测量;双压力;压力传感器;比例积分微分（PID）控制
CLD号码：TP212.1 文件编号：A
文章号码：1674-8042（2013）01-0006-04 数位物件识别号：10.3969 j.issn.1674-8042.2013.01.002
0引言
天气状况有着非常重要的地位，因为空气参数在天气状况良好时误差才会大大降低。低压实验已经广泛应用于航空领域、太空飞行领域、仪表仪表领域以及信息产业。它已被用于确认产品或组件的环境适应性和实验可靠性。特别是在诸如医药、药品制造、金属制造等行业，环境条件对相对湿度的准确测量是至关重要的。因此，湿度的校准在行业和重新搜索中是非常重要的。湿度计的发展需要相应的检测仪器，双压法被广泛用于湿度传感器的设计中。基于以上的思想，本文提出了双压控制系统，不仅可以实现气压从真空到常压的连续精度控制，而且可以产生各种大小的相对湿度。高精度压力控制器主要基于现场可编程门阵列（FPGA）或可编程逻辑控制器（PLC）设计。大多数采用模糊PID（比例积分导数）技术作为控制策略。与以上几种设计相比，本次论文所介绍的仪器由计算机组成，其单芯片简单得多，而且成本低廉，还可以快速达到目标压力。与此同时，它的平均压力差异最小，可以在很长的时间保持相对稳定的水平。希望在不久的将来能在环境仿真设备中与温湿度一起使用。
1系统设计
系统设计旨在将气压控制在所需要的位置。系统的总体结构如图1所示。 高压室设计为在室内压力的基础下用水使空气饱和，通过电子膨胀阀向测试室提供饱和的空气，可将空气压力降至能够进入测试室的各种低水平压力。当空气进入测试室时，真空泵将其排除掉以降低测试室的压力以实现能够动态地控制测试室的空气压力。数字质量流量控制器（DMFC）的控制使用的是单回路控制模式。DMFC是测试室压力的受控对。它有着操作简单，投资经费少，运行过程方便的特点，可以满足工业生产的各种要求，并被广泛地应用于过程的控制中。安装了单回路反馈控制后，其控制质量与控制器的选定参数相关。
图1 测量系统总体框图
2系统的硬件配置和通信网络
如图1所示，该系统由高压室，电子膨胀阀，试验室，真空泵，气压传感器，DMFC等组成。测试室是由不锈钢制成的真空室。在电子膨胀阀之前设置了范围从0到1.6 MPa的压力传感器1。它用于监测高压室的压力，以达到空气在这个压力下饱和的要求。压力的大小在相对湿度的生成中是非常重要的。由Paroscientifichas制造的高精度气柱塞压力传感器2设置在测试室中。其精度为0.02%FS，而测试压力范围为100 hPa到1500 hPa。系统的通信网络是全自动化控制系统的核心。通过使用不同的通信协议，如图2所示，实现了PC与其他产品之间的通信。安全可靠的网络已经建立起来了。该系统采用C8051F020作为嵌入式控制器。它还包括A /D转换器，I /O端口和通用异步接收器/发送器（UART）。它是控制器的核心，它用于计算，转换和存储软件模块采用的开关信号和类比信号。微程序控制单元（MCU）使用A /D转换器从压力传感器1获取数据。MCU通过I /O模块模拟脉宽调制（PWM）来控制电子膨胀阀控制器。DMFC支持RS485串行通讯。电缆和转换器可以一起使用，将DMFC与计算机连接起来，然后DMFC可以通过自己的通信协议直接由计算机进行控制。计算机还可以通过RS232串口直接从压力传感器2获取数据。
图2 测量系统的通信网络
3软件设计
Visual Studio 2010已被用作软件的开发环境。该系统的软件是由c语言在NET框架中开发的，它是近年来非常受欢迎的控制系统开发平台。它直接与COM集成为Delphi。软件流程图如图3所示。
在图3中，P1是高压室的气压，P2是测试室的受控压力，Pt是由计算机设定的目标控制压力。接口集成了数据采集窗口，可用于收集和存储从串口收集的数据。控制系统软件流程为采集数据p1，设置电子扩张值，采集数据p2，判断误差大小p1-p2，用比例积分导数控制流量，最后判断p2的值是否稳定。
程序前面板设计如图4所示。在控制系统中，PID技术已经被用于控制DMFC的开放水平，而电子膨胀阀已经与P1匹配。 PID控制是自动控制中最古老，最常见，最有效的控制方法。
原理图如图5所示。使用PID控制器，可以选择三个变量Kp，Ki和 Kd。进行数据初始化后，数字控制使用以下的关系计算式（1），其中变量e是压力误差的误差，e=p1-p，U是DMFC的开放水平。在每秒获得的压力p2之后计算出误差。
（1）
开始
开始
结束
稳定p2值
PID控制PMFC
判断误差=p1-p2
数据p2采集
设置电子膨胀值
数据p1采集
设置参数Kp，Ki，Kd
数据初始化
Y
测量气压p2
取样品时间
DMFC
构建e=p1-p
N
计算U
为下次准备
N
图5 PID控制原理图
图3 控制系统软件流程图
图4 前面板接口
4实验结果
该系统已经实现了在300 hPa到1000 hPa之间的测试室压力的控制，而高压室的压力范围可达到从1024 hPa到9000 hPa。图6和图7的结果显示了测试压力的控制。它们被测试在不同的时间下的气压值，而Kp，Ki和Kd的值分别为2、6和0，结果表明参数的集合对压力的控制非常重要。
图6 目标压力1000 hPa的整体控制过程
上图6显示了从真空状态到1000 hPa的压力状态的控制的整个过程。 整个过程只持续8分钟。 图7显示了当压力稳定时在500hPa状态下控制的压力波动。实验结果表明，压力可以控制在500 hPa，流量为2 Pa，可以控制在25分钟以内。结果表明该系统可用于控制从300 hPa到1000 hPa的压力状态。
图7 500 hPa压力波动
5 结论
本次的仪器采用了C8051F020作为单芯片的核心。与I /O端口，A/D转换器和串行端口通信一起联系。系统利用PID技术实现对压力的控制。系统的稳定性和可靠性已经很好地达到。它可以用于自动测量空气压力传感器，花费很少的时间，实现稳定的大范围的气压控制。系统的创新如下：
- 具有一个环路反馈控制的双压力系统已被用于精确地控制用于校准压力传感器的压力。 2）双压系统有望用于测试综合传感器的更多参数，例如湿度、温度等。
参考文献
[1]张文东，尹龙德，丁一民等。低温双压法低露点标准湿度发生器。 上海市检测与测试，2002,29（1）：24-26。
[2] 叶建雄张发云 PLC不定风压控制的应用。PROC。 2010年智能计算技术与自动化国际会议，IEEE计算机学会，美国，2010，1：771-773。
[3] 何凤友，鲍维宁张炳等 重新搜索用于提供恒压空气的空气压缩机的无人值守智能化控制系统。 在“第二届智能计算技术与自动化国际会议论文集”，2009年，1：838-841。
[4]谢建英。 微电脑控制技术，上海：上海交通大学，1985。
不同压力传感器在不同气压高度计系统中的性能分析
Zhengqun Hu1,2，Lirong Zhang1
（1中国科学院国家天文台，中国北京100012
2中国科学院研究生院，中国北京100049）
摘要：引入了两台经典的大气压力传感器MS5534C和BP5607，由于测量灵敏度和分辨率不同，差压气压高度计系统的性能可能不同。实验表明，两个传感器都可以区分差压气压高度计系统中的地板，并具有良好的测量精度。然而，对于BP5607，高程分辨率优于MS5534C，使用BP5607更加灵活等等。高灵敏度，高分辨率的压力传感器在位置信息服务领域将具有更大的应用空间。
关键词：高度测量;MEMS; 传感器; 气压测量高度
1介绍
参考文献[1]中指出，差分气压高度计在使用基站的方法可以达到区分楼层的目的[1]。本次测试使用大气压力传感器MS5534C的分辨率为0.1mbar，具有分辨率在差压气压高度计系统中升高到约0.85m [2]。所以这是在亚米高程分辨率的方面非常模糊的。但是，在很多场合，如仓库的安全监管、重要人物的安全位置监测都是需要区分子仪表高度的。BP5607也是基于MEMS技术的气压传感器，具有压力分辨率高达0.01mabr的精确性。本文将介绍BP5607传感器在差压气压高度计系统中的应用基于基站，差压气压高度计系统的研究与分析性能，基于基站的传感器MS5534C和BP5607，两个不同的传感器具有不同的分辨率和灵敏度，因此对气压差压计系统的性能影响不同。
2 MS5534C和BP5607传感器
微机电系统（MEMS）是基于微电子技术开发的成为多学科领域的前沿研究，已成为世界重要科技领域之一。传感器MS5534C和BP5607都是基于MEMS技术，可以测量空气压力和温度。MS5534C提供了一个来自压力和温度相关电压的16位ADC数据，压力分辨率在0.1mbar [3]。 MS5534C是一种压阻硅微加工传感器，因此它带有一个充满硅胶的金属保护盖，以增强防护性湿度。这种凝胶的性质确保传感器的功能，即使在直接的水中圆通。传感器MS5534C感应硅胶正压的压力，用于与微控制器的所有通信。压力绝对测量范围的MS5534C为10-1100mbar，尺寸为9.0times;9.0times;4.28mm。BP5607是来自MEAS瑞士的SPI新一代高分辨率高度计传感器和IIC总线接口。传感器模块包括一个高线性度压力传感器，低功耗24位ADC，具有内部工厂校准系数。它提供了一个精确的数字Sigma;24位压力和温度值以及不同的操作模式，适用于转换速度和电流消耗。这个新的传感器模块生成是基于的领先的MEMS技术和来自MEAS瑞士经验的最新优势高精度模块大批量生产技术诀窍[4]。BP5607压力绝对测量范围为10-1200mabr。尺寸（5.3times;3.0times;1.7mm）是与MS5534C相比，BP5607的使用更为灵活。其压力测量 - （0.13 / 0.084 / 0.054 / 0.036 / 0.024mbar）可以根据需要选择，选择AD转换器的采样频率（256/512/1024/2048/4096）来控制压力输出分辨率，以增加有效位测量，提高测量准确性。 BP5607提供两种外部IIC和SPI接口模式，可以连接任何一种一个微处理器来控制BP5607的工作模式和工作流程。 MS5534C的形状和BP5607传感器如图1所示。
图1 MS5534C和BP5607气压计模块
3区分不同高度的实验分析
方程式 （1）显示差压气压高度计的数学模型[5]。
其中，tm是P0和P的两个气压表面之间的平均摄氏度，P0是参考点的气压值，P是用户的接收器的气压值，H0是参考点的精确高度。 为了减少高度值的输出抖动范围，提高压力和温度的测量精度，使用低通滤波器来避免噪声干扰。这种方法可以降低硬件成本，使用软件算法来模拟硬件过滤功能。
低通模型如式（2）：
其中，Yn是此时的滤波器输出值，Xn是此时的测量数据，Yn-1是上次的滤波器输出值，a是0和1之间的系数，我们将a=0.125用在论文里。我们分别使用MS5534C和BP5607传感器高度计模块来区分不同的高度。MS5534C高度计端子区分为0.5m，1m，1.5m，2m，以获得计算高度的曲线，如图2所示 BP5607测高仪分别解析为0.2m，0.3m，0.6m，1m，得到计算出的高度曲线，如图3所示。
下图中横坐标为北京时间（单位hh：mm），纵坐标为测量高度（单位m）
由MS5534C区分为0.5m 由MS5534C区分为1m
由MS5534C区分为1.5m
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