油缸壓力實時監測係統的中心議題：

• 采用嵌入式傳感器實現眾多工況參數的實時在線監測
• 采用壓力傳感器器件如何實現油缸監測

油缸壓力實時監測係統的解決方案：

• 硬補償電路設計簡介
• 軟補償算法實現簡介

隨著現代科學技術的發展，特種車輛的性能越來越高，係統構成越來越複雜

、精密
，采用嵌入式傳感器實現眾多工況參數的實時在線監測，是未來車輛狀態監測和故障診斷係統發展的必然趨勢。同時由於車輛結構的緊湊

，要求實現小型嵌入式傳感器監測係統。否則
，許多故障點無法直接監測
，隻能通過測量外圍相關參數換算得到
，換算結果的正確與否不得而知，從而可能導致更大的經濟損失。隨著微電子技術和信號處理技術的發展
，使小型壓力監測係統的實現成為可能。benwencaiyongxianjindeyalichuanganqiqijian，jiehejingmifangdadianluhedigonghaogaoxingnengchuliqi，gouchengqianrushitezhongcheliangxingxingbiansujigoucaozongyalishishijiancexitong
，bingtongguoceliangdianluhebuchangsuanfadezongheyingyong，shixianlejiancexitongdegaojingduwuchabuchang。

1 嵌入式壓力監測係統軟硬補償方法實現

1.1 壓力監測係統簡介
特種車輛的行星變速機構位於綜合傳動裝置大箱體內，周圍空間狹小而且部分浸泡在潤滑油中，溫度高達135 ℃。tongguolunzheng
，xuanzeyizhongxiaoxinggelimopianshiyalichuanganqi
，bingjiangqianzhuangzaiyougangfujiandeyoudaoshang
，tongguojingmiyibiaofangdaqijiangxinhaofangdahou
，caiyonggaoyouxiaoweidemoshuzhuanhuanqi（ADC）將其量化，並用ATMEL公司的AVR係列微控製器（MCU）完成數據處理，再通過CAN2.0總線將處理結果提供給操作人員，以達到保護車輛綜合傳動裝置的目的。係統原理框圖如圖1所示。

由於係統工作溫度範圍比較寬(-20 ℃~135 ℃)
，yinciwendubianhuaduixitongdeceliangwuchayingxiangzuida，benwenzhezhongyanjiubingshixianleyouyuwendupiaoyiyinqideceliangwuchadebuchangchulifangfa。zhenggexitongdebuchangfangfabaokuodianluyingbuchanghesuanfaruanbuchangliangbufen
，yingbuchangbaohanchuanganqibenshendegongyitiaozhibuchanghefangdadianlubuchang；軟補償是通過在MCU內嵌入B樣條溫度補償算法來實現。

1.2 硬補償電路設計
係統采用矽壓阻式壓力傳感器

，它具有體積小、靈敏度高
、分辨率高等特點，被廣泛采用。但溫度漂移是矽壓阻式傳感器的最大弱點，它包括零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移。由於組成電橋的4個(ge)電(dian)阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)不(bu)可(ke)能(neng)完(wan)全(quan)一(yi)致(zhi)，當(dang)輸(shu)入(ru)壓(ya)力(li)為(wei)零(ling)時(shi)，電(dian)橋(qiao)輸(shu)出(chu)不(bu)為(wei)零(ling)，具(ju)有(you)零(ling)點(dian)偏(pian)移(yi)。靈(ling)敏(min)度(du)溫(wen)度(du)漂(piao)移(yi)主(zhu)要(yao)是(shi)由(you)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)壓(ya)阻(zu)係(xi)數(shu)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)而(er)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)造(zao)成(cheng)的(de)，一(yi)般(ban)地(di)說(shuo)
，壓(ya)阻(zu)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)而(er)下(xia)降(jiang)。

本係統選用美國某公司的小型矽壓阻式傳感器，其最大量程為300 psi(1 psi=6.895 kPa)，輸出電壓為0~100 mV，非線性度為±0.1%。chuanganqitongguoduitaocijizuoshangdehoumodianzujinxingjiguangxiuzu
，shixianduichuanganqidewendubuchangjilingdianpianchatiaozheng。qineibutigongdejiguangxiuzhengdianzuyonglaitiaojiewaibufangdaqidezengyi，congerbaozhengchuanganqi±0.1%互換性量程，電路原理圖如圖2所示。


由於傳感器最小分辨率為微伏級
，極易在傳輸和測量時產生幹擾
，造成結果失真，因此必須采用一個高精度、高共模抑製比的測量放大電路進行小信號的放大處理。

本係統采用了具有差分輸入和閉環增益單元的儀表放大器INA128作為前端放大電路來做硬補償。儀表放大器的兩個輸入端阻抗平衡並且阻值很高
，輸入偏置電流很低，並具有很低的輸出阻抗,共模抑製為100 dB，即可將共模電平產生的任何誤差減小到100 dB。其內部結構如圖3所示，正好與圖2所示的硬補償電路中的放大器相符。

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1.3 軟補償算法實現
係統通過硬補償後
，將電壓信號經24 bit量化的模數轉換器（ADC）采樣後送給MCU進行後續處理。MCU采用ATMEL公司的ATmega32，其數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，利用MCU的數據處理能力

，實現了基於B樣條的溫漂補償處理算法。之所以采用B樣條曲線來擬合壓力傳感器的溫度係數，是因為B樣條曲線具有局部控製特性

，曲線隻在改變了的控製點附近才改變形狀

；並且


，B樣條曲線可以隨意增加控製點，而不提高曲線的階次，對於不同的應用選擇控製點數，可以滿足不同的擬合要求。

樣條是一個分段多項式函數，k階(k-1次)B樣條曲線的表達式是：


當分母為零時，定義分式的值為零。其中ti表示控製點節點值
，它控製曲線形狀,節點值從t0到tn+4。在本係統中使用的是非封閉曲線
，因此ti取值規則如下：


在MCU中實現基於B樣條的補償算法,考慮到B樣條為非封閉曲線，由式(4)和式(5)確定控製點的選取應多於4個。考慮到補償算法的實時性，對計算速度也提出了一定的要求
，控製點也不宜太大。綜合上述原因，取n=6，對傳感器數據進行樣本采集，通過單片機進行運算，根據B樣條曲線的計算公式，推導控製節點值ti，編寫3次B樣條調和函數的求解程序
，對每一個控製點計算一個補償係數C(u),並將補償係數寫入相應的Flash寄ji存cun器qi中zhong。係xi統tong正zheng常chang工gong作zuo時shi
，通tong過guo車che輛liang溫wen度du傳chuan感gan器qi獲huo得de壓ya力li監jian測ce係xi統tong工gong作zuo的de溫wen度du值zhi，並bing讀du取qu相xiang應ying寄ji存cun器qi的de補bu償chang係xi數shu，對dui測ce量liang值zhi進jin行xing補bu償chang，即ji可ke得de到dao經jing過guo校xiao正zheng以yi後hou的de壓ya力li輸shu出chu。

2 軟

、硬補償方法實驗結果

實驗時，將壓力傳感器置於150 psi恒壓環境下，對壓力傳感器信號經放大後的輸出電壓進行測量。如果係統不受溫漂影響的話，理論上輸出電壓應穩定在2.5 V。在不同溫度下經硬補償後實測數據如表1所示。


按照表1中的數據作一條曲線
，與理想輸出比較，如圖4suoshi。mingxiankeyikandao，shuchusuiwendudebianhuachengxiandebushiyitiaozhixian，ershifeixianxingdebianhua
，shuomingtongguoqianmianyingbuchanghou，suiranfeixianxingkexianzhizaimanliangchengde0.1%內，對於精度要求高的係統還是不滿足要求,需進一步做軟補償。


硬補償後的數據在MCU內再使用B樣條軟補償算法進行校正，校正後的結果如表2所示。


由表2可知，係統在經過軟補償後，7個溫度點的測量值與理論值相比，誤差小了很多
，與隻進行硬補償相比，誤差可減小到1/5左右，軟
、硬補償後誤差曲線如圖5所示。


benwenzhezhongyanjiuleduiyuxinxingtezhongcheliangzhonggaojingduyalijiancexitongdewenpiaowuchabuchangfangfa。yuchuantongfangfaxiangbi
，benfangfazhuyaotedianshicaiyongleyingbuchangheruanbuchangjiehedefangshi。yingbuchangbaohanchuanganqibenshendegongyitiaozhibuchanghefangdadianlubuchang；軟補償是通過在MCU內嵌入B樣(yang)條(tiao)曲(qu)線(xian)擬(ni)合(he)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)。與(yu)其(qi)他(ta)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)，本(ben)方(fang)法(fa)易(yi)於(yu)實(shi)現(xian)，擬(ni)合(he)誤(wu)差(cha)小(xiao)
，使(shi)係(xi)統(tong)的(de)精(jing)度(du)得(de)到(dao)較(jiao)大(da)的(de)提(ti)高(gao)，並(bing)提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)魯(lu)棒(bang)性(xing)和(he)穩(wen)定(ding)性(xing)。該(gai)係(xi)統(tong)已(yi)經(jing)在(zai)某(mou)樣(yang)車(che)中(zhong)試(shi)用(yong)
，運(yun)行(xing)狀(zhuang)況(kuang)良(liang)好(hao)，補(bu)償(chang)精(jing)度(du)高(gao)，具(ju)有(you)很(hen)好(hao)的(de)推(tui)廣(guang)應(ying)用(yong)價(jia)值(zhi)。