基于的天然气压力监控系统的方案实现文档格式.docx

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具体内容请详见3.3.6

（4）步进电机驱动功能模块

步进电机的主要功能是根据存储罐中压力状况，来进行正反转自动控制。

当存储

罐中的压力低于设定的下限时，步进电机进行反转，控制jzjgswj./阀门关小；

当存储罐中的压力高于设定的上限时，步进电机进行正转，控制阀门开大，以实现自动调节储气罐中的压力使之达到正常压力X围之内的目的。

步进电机采用四相双四拍的驱动方式。

具体内容请详见3.3.7

系统的总体硬件电路原理图请详见附录三。

3.3.2数据采集

1．数据采集技术

将生产过程中由传感器获得的模拟量（温度、压力、流量等）转变为数字信号，再传输到计算机中做进一步处理的过程称为数据采集。

数据采集技术综合了传感器技术、信号采集与转换技术、计算机接口技术；

应用数据采集技术能迅速地对各种工艺参数进行采集，为计算机控制提供必需的信息，从而实现对过程的连续自动控制。

图3-13所示为一个典型的计算机单机数据采集系统的结构框图。

由图可知，计算机数据采集系统由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样保持器、A/D转换器、计算机及外设等部分组成。

其中传感器部分的作用是将各种测量物理量，如温度、压力、位移等非电量转换为电信号，以做后续处理；

模拟多路开关部分的作用是对多路模拟量信号进行分时采集，即轮流切换接通与A/D转换器间的连接，实现分时转换；

放大器部分的作用是将来自各通道的较弱和较大差异的模拟量信号采用不同的放大倍数进行放大以充分利用A/D转换器的满量程分辨率，即放大器的放大倍数可以实时控制改变，实现程控放大；

采样/保持器部分的作用是在一定时间内A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，这段时间是进行一次A/D转换所需要的；

接口电路部分的作用是将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传送到计算机的总线上。

定时与逻辑控制电路的作用就是按照各个器件的工作次序产生各种时序信号，而逻辑控制电路是依据时序信号产生各种逻辑控制信号，以保证系统的工作秩序和精度。

图3-13单机数据采集系统结构框图

计算机单机数据采集系统具有系统结构简单，容易实现，对环境要求不高，成本低，便于使用和维修等特点。

jxscz./

图3-14所示为集散型数据采集系统的结构框图。

它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。

集散型数据采集系统的主要特点是系统的适应能力强，可靠性高，实时响应性好，抗干扰能力强，对系统硬件的要求不高。

2．传感器接口电路

传感器接口电路位于传感器元件输出端与模拟多路开关之间，起着信号预处理的连接作用。

传感器接口电路的选择是根据传感器的输出信号特点及用途确定，即不同的传感器具有不同的输出信号。

传感器的输出信号具有以下3普遍特点：

A．信号一般较弱；

B．其输出阻抗一般比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，会产生较大的信号衰减；

C．传感器的输出量会受到温度的影响，有温度系数存在。

传感器的信号处理由相应的接口电路实现，表3-3列出了典型传感器接口电路及其功能。

表3-3典型传感器接口电路及功能

接口电路：

信号预处理的功能：

放大电路

将微弱信号放大

电流电压转换电路

将传感器输出电流转换为电压

电桥电路

将传感器的电阻、电容、电感转换为电流或电压

频率电压转换电路

将输出的频率信号转换为电压

电荷放大电路

将电场型传感器产生的电荷转换为电压

滤波电路

通过低通及带通滤波器消除传感器的噪声成分

下面就电桥电路中的误差补偿、放大电路中的差分放大、仪表放大电路及滤波电路作详细介绍：

（一）误差补偿

直流电桥在应用过程中常出现误差，消除误差通常采用补偿法，其中包括零点平衡补偿、gextax./温度补偿和非线性补偿。

（1）零点平衡补偿

图3-15给出了两种平衡补偿电路，（a）为串联补偿，调节补偿电阻

可使电桥达到平衡状态。

图（b）为并联补偿，其中电阻

、

的作用是使零点调节变得平稳。

（a）串联补偿（b）并联补偿

图3-15补偿电路

（2）温度补偿

电桥的温度补偿一般采用热敏电阻并联补偿方法，如图所示。

其中

为热敏电阻，

和

为温度系数较小的电阻。

的阻值为：

（3-1）

图3-16热敏电阻温度补偿电路

（3）非线性补偿

电桥的非线性相对误差可由下式确定，即:

（3-2）

式中

—电桥实际输出电压，V；

—电桥理想输出电压，V。

当电桥的相对非线性误差满足不了测试要求时，须予以消除。

通常采用差动电桥来消除非线性误差。

图3-19给出了应变片式传感器的差动电桥，其中图3-17（a）为半桥差动电桥，半桥差动中的两个应变片在传感器受力时，一个受拉应力，一个受压应力，它们的阻值变化大小相等，符号相反，在电路中，它们接在电桥的相邻桥臂内，这种桥路结构是传感器常用的桥路形式，在对称的情况下，即

，

，则它的输出电压简化为：

（3-3）

（a）半桥差动电桥电路（b）全桥差动电桥电路

图3-17差动电桥电路

图3-17（b）为全桥差动电桥电路，全桥差动电路的四个应变片中，有两个受拉力，两个受压力。

将两个变hszwater./dafa888yulecheng/形符号相同的应变片接在电桥的相对应的桥臂内，符号不同的接在相信的桥臂内ssjyks./kelakeyulechang/。

全桥差动电桥墩的输出电压为：

By-gnksguybb

（3-4）

（二）放大电路

放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或交流信号进行放大处理，为数据采集系统提供高精度的模拟输入信号，对检测精度起着关键作用。

目前数据采集系统都采用运算放大器来构成放大电路，包括反相放大器、同相放大器、差动放大器、电荷放大器、仪表放大电路等。

本监控系统在信号调理电路中采用的是仪表放大电路,下面将重点介绍差动放大电路及仪表放大电路:

（1）差动放大电路

图3-18为差动放大电路的基本放大电路。

图3-18差动放大器的基本电路

两个输入信号

分别经

输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压

则经反馈到反相输入端。

电路中要求

差动放大器的输出电压为：

（3-5）

差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。

共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号，理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零。

在差动放大器中温度的变化和电源电压的波动，都相当于共模信号，因此能被差动放大器所抑制，可使差动放大器零点漂移最小。

来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大器所抑制，所以说差动放大器的抗干扰能力极强。

（2）仪表放大电路

仪表放大电路的结构如图3-19所示，整个测量电路由三个二级运放组成，其中第一级是A1和A2两个同相放大器，第二级A3为普通差动放大器。

当放大电路输入电桥产生的检测信号经A1和A2放大后，它们的输出电压将作为差动输入信号给A3进行放大。

图3-19应变电桥配接的放大电路

放大电路的输出电压U0为：

为了增强抗直流共模干扰信号能力，要求差动放大器A3中的四个电阻

。

在实际应用中，常在

支路串联一个电位器，通过调节电位器，可在A1和A2输出相等时使输出电压

为零。

此外，由于电桥电路和放大电路之间采用电缆进行连接，还必须考虑抑制交流共模干扰信号的问题。

在实际设计中，应优先选用集成芯片式测量放大器，有利于解决共模干扰问题，例如可以选择AD531和AD522单片集成测量放大器。

（三）滤波电路

按照频谱分析的观点，任何信号都是一些不同幅度和不同频率的正弦信号的组合。

在仪表的输入信号中，除了有用的频率成分之外，往往不可避免地含有一些无用的统称为噪声成分。

滤波器的功能是利用其频率特性来保留有用的频率成分，削弱或消除无用的频率成分，它是仪表信号调理电路中的重要组成部分，依据其作用的不同，可分为低通、高通、带通和带阻等不同滤波器。

而对于一般传感器而言，其输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器输出信号的滤波常采用有源低通滤波器，它只允许低频信号通过，而不能通过高频信号。

图3-20一阶低通滤波电路

图3-20为一阶RC有源低通滤波电路，滤波电路接入运算放大器的同相输入端。

这种滤波电路的滤波截止频率为：

（3-6）

从理想的情况看，当干扰信号频率发

>

时，滤波电路的输出应为零，但实际上这种电路输入比

高10倍的频率，幅度仅下降20dB，滤波效果不够理想。

（a）二阶低通滤波（b）二阶高通滤波

图3-21二阶滤波电路

图3-21（a）为典型的二阶RC有源低通滤波电路，它由二级RC滤波电路构成，其中将第一级的电容C接入到放大器的输出端。

当

时，输出电压

和输入信号

的相位差在90度以内，则输出电压

通过C将使

的幅度增强，从而提高了输出电压的幅度，而当

基本上是相反相的，输出电压

的幅度下降、使干扰信号衰减。

有些传感器需用高通滤波器，它只允许高频信号通过，而阻止低频信号。

图3-21（b）是一个典型的二阶高通有源滤波器，可以看出只要将低通滤波电路中起滤波作用的电阻电容的位置进行互换即成为高通滤波电路，对低频干扰信号进行衰减。

在我们的的监控系统中，将在下一节“压力传感器”中给出其传感器接口电路，在此暂不作说明。

3.3.3压力传感器

1．压力传感器及选择

（一）传感器概述

传感器是获取信息的源头，是实现自动监测的首要环节，由于压力传感器的种类繁多性能各异，传感器的选择对系统性能十分重要。

传感器是感受和响应规定的被测量并按一定的规律将其转换成有用输出（一般是电信号）的器件或装置。

它通常由敏感元件、传感元件和测量转换电路组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，传感元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分，由于传感输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式，这一部分称为测量转换电路。

从传感器的转换原理，传感器可分为结构型、物性型、复合型三大类。

结构型传感器是利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参量转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的；

物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应实现非电量的转换，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件；

复合型传感器是由结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征，如电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等。

传感器的基本特性可通过静态特性和动态特性描述，静态特性表示传感器在被测各量值处于稳定状态时的输出与输入的关系，主要包括灵敏度、分辨率、测量X围及误差（线性度、迟滞、重复性、零点漂移和温度漂移）；

动态特性描述被测量随时间变化时的输出和输入的关系，即传递函数和频率响应。

（二）压力传感器选择原则

传感器选用原则一般要考虑的因素有：

1）应用环境，包括被测压力对象的性质、与其它设备的连接、环境温度、湿度、干扰源等；

2）量程，所测压力在量程内，应留有一定的余量；

3）灵敏度，对压力信号反应敏感，信噪比大，延迟小；

4）精确度，在量程内输入与输出有比较好的线性关系，误差小；

5）稳定可靠性，时间和环境对其性能影响小；

6）经济性，要求性价比要高；

7）安全便利，安装、维护、更换要方便快捷，不对生产中其它方而产生负而影响，如小体积、重量轻、标准接口等。

数字式、智能式压力传感器一般都有数字或者网络接口，也有的具有模拟输出，和计算机连接方便，但价格普遍偏高，不适合于小X围（如车间）多点压力的自动测量。

（三）目前几种主要的压力传感器及特点

压力传感器种类繁多，性能各异，现只对目前常用的几种传感器做一介绍比较。

1）金属应变式压力传感器

金属应变式压力传感器是利用金属应变片的阻值随应力变形而改变的原理进行工作的，应变片一般粘贴在弹性膜片上。

当弹性膜片受力后，应变片被拉伸或压缩，应变片的电阻就会发生变化，通常采用惠斯通电桥进行电阻测量。

金属应变片压力传感器的优点是结构简单，测量X围宽，线性好，成本低，缺点是输出灵敏度低，迟滞、蠕变较大、稳定性不好。

2）电容式压力传感器

电容式压力传感器是由于电容器极板的相对位置会随着压力的变化而变化从而引起电容的改变来实现压力的测量。

早期的极板电容传感器体积较大，后来的硅膜式压力传感器采用集成电路工艺，体积很小，检测电路具有更高的灵敏度和较低的漂移，而且输出为非线性信号。

3）电感式压力传感器

电感式压力传感器是利用差压变压器原理，通过对位移的测量实现压力测量。

差动变压器的导磁铁芯通常固定在金属膜片控盒上感受压力变化引起的变形。

这种传感器对加速度、振动敏感，但动态响应性能差，而且由于磁芯的重量也会使安装的方式对测量有影响，从而对复杂的环境特别是多振源干扰时应用较为困难。

4）压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用某些晶体材料受到外部压力作用于晶体极板的表面产生电荷的特性工作的。

这类传感器的突出优点是动态响应特性好，无需外部激励电源，但因其输出为电荷，必需有高阻抗的放大器，而且不适合于静态测量。

5）电涡流压力传感器

电涡流压力传感器是根据电涡流位置感应原理工作的。

它由固定在压力膜片上的非磁性金属导体在耦合线圈中产生的高频磁场作用下产生电涡流，当传感器承受压力时，膜片变形并引起两个线圈间的磁感变化，内置电路将磁感变化转换成标准的输出信号。

这类传感器对加速度、振动敏感，动态性能差，对电源也有一定的要求。

6）硅谐振压力传感器

硅谐振压力传感器的敏感组件（硅谐振梁）粘贴在压力敏感元件（压力膜片等）上。

振梁在激振电极的驱动下以某一频率振动。

当压力作用在膜片上时，振梁的震动频率发生改变，拾振电极对振梁的振动频率进行测量，从而得到作用到膜片上的压力。

这种传感器具有极好的灵敏度和分辨力，电路设计复杂，有温度漂移，对电源也有一定的要求。

7）硅压阻压力传感器

硅压阻压力传感器是利用半导体的压阻特性进行工作的，它的压阻特性由掺杂浓度和晶体的排列方向决定，灵敏度比金属应变高出数十信。

这类压力传感器有体型、扩散型等。

扩散硅压力传感器是在硅片的敏感部位扩散出阻值相同的电阻，在压力作用其上时，硅膜片产生应变，从而使电阻条变形输出一个与压力呈正比的线性化电压信号。

这种传感器有体积小、精度高、重复性好、过压能力强、寿命长、迟滞小、动态响应好的特点，和其它半导体传感器一样，也有温度漂移的问题。

随着计算机辅助设计、辅助制造、微机械技术的发展，价格不断下降，扩散硅压力传感器这种高性能传感器显示了在质量价格方面强大的生命力和竟争力，确立了在压力测量应用领域的主导地位，成为现代压力测量传感器的首选。

当前，扩散硅压力传感器有标准的独立单元型，采用外部温度补偿、校正和信号调理；

有温度补偿型，采用内部温度补偿、校正；

有集成型，采用内部温度补偿、校正和信号调理；

还有传感器与微处理器结合型，除了集成型的功能外，还有程序控制输出、个人仪器和自动控制能力。

2．扩散硅压力传感器的基本结构和工作原理

典型的扩散硅压力传感器可用结构图3-22描述，它是以半导体的压阻效应为理论依据，采用半导体加工工艺，在设计中为了提高满量程输出，减小零点温度漂移及提高灵敏度，通过扩散或离子注入的方法在单晶硅的一定晶向、一定位置上形成4个扩散电阻，并把它们组成惠斯顿电桥，为了测量腐蚀性气、液体，有的还有隔离膜片，内腔充填硅油。

传感器的制作是以P型杂质扩散到高电阻率的N型硅底座①上，形成扩散电阻条⑤，二氧化硅⑥是绝缘层，⑦和⑧是扩散电阻的金属引出线，采用静电封接技术、低温玻璃②烧结在壳体③上。

图3-22扩散硅压力传感器结构

P一压力，ON型硅膜片，②封接玻璃，③硅支撑片，④压力口

P型扩散压阻单元，⑥二氧化硅，⑦、⑧金属线

（3-7）

3．扩散硅压力传感器的温度漂移与补偿方法

（一）扩散硅压力传感器的温度漂移

扩散硅传感器虽然具有很多优点，能迅速占领应用市场，但其不足就是半导体材料阻值受温度影响较大，扩散浓度的离散性引起了阻值的离散性；

再就是工艺要求很高，四个扩散电阻不可能具有完全一样的性能，即每个扩散电阻的加工尺寸、位置、掺杂浓度、所受应力不可能完全满足理论要求，所以要想获得准确性和可靠性，必须对其进行补偿。

传感器的温度漂移分为：

零点漂移和灵敏度漂移。

零点漂移是由于各个扩散电阻的阻值及温度系数不一致造成的，而灵敏度漂移主要是由于压阻系数随温度变化引起的。

图3-26显示了扩散硅压力传感器的零点漂移和灵敏度漂移的情况。

图中零压力下扩散硅电桥的输出Uo随温度变化，表明了零点的温度漂移，它包括本身电桥桥臂电阻的不平衡和温度变化造成电阻不等而造成不平衡两个部分：

不同温度下各条P-V压力输出直线的斜率说明了传感器在各温度下的压力灵敏度，在不同温度下斜率的变化说明了温度对灵敏度的影响。

温度对于零点漂移的影响可用热漂移系数K。

表示

式中，Un（To）为参考温度下满量程时的输出电压：

Uo（T）和Uo（To）分别为温度T和参考温度To时的零点输出电压。

图3-24扩散硅压力传感器的P-V特性

对于灵敏度的影响可用灵敏度系数Ka表示

式中——UN（Tl）、UN（T2）是TI、T2温度时的满量程输出：

Uo（TI）、Uo（Tz）是TI、T2温度时的零点输出；

是量程上限时的输出，U。

为零点输出。

一般情况下，扩散电阻有正的温度系数，压阻系数具有负的温度系数。

（二）扩散硅压力传感器的温度漂移补偿方法

扩散硅压力传感器温度补偿的实质，就是采取一些措施消除温度对压力测量结果的影响。

扩散硅压力传感器的温度补偿分为内补偿和外补偿。

内补偿是从传感器的设计、制造工艺、封装材料等方而进行，主要是通过控制扩散电阻的掺杂浓度。

在多数应用中，外补偿是普遍方法，它分为硬件补偿（通过电子线路设计）和软件补偿（计算机的数据处理功能）

硬件补偿法种类很多，电子线路设计各异，但针对零点漂移的补偿常用桥臂串、并联恒定电阻或相反特性的电阻补偿，还有针对灵敏度漂移的镍铬电阻补偿法、晶体管补偿法、二极管补偿法、热敏电阻补偿法等等，通过对传感器激励的选择，也可达到温度补偿的目的。

在本系统中，由于扩散硅传感器的精度本身比较高，能适用于一般工业应用场合，只对零位进行电阻串联补偿，采用恒流源供电控制温漂；

对于一些精度和稳定性要求较高的点，可采用软件补偿技术。

软件补偿技术是随着计算机技术的发展而出现的，只需在计算机中改变数学模型就可以完成对传感器数据的补偿，它比硬件补偿具有更大的灵活性，是信息融合技术在压力测量中的应用。

现在常用的软件补偿方法主要有查表法、曲线拟合法、神经网络算法等。