[发明专利]一种内置参数的校准模拟传感器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种内置参数的校准模拟传感器的方法，适用于石油钻井行业的钻井液压力实时检测与校准。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。在石油钻井过程中通过使用压力传感器来测量钻井液产生的压力，可以实时观察钻井液的压力。目前使用广泛的的电子压力传感器是通过4-20ma电流信号输出或电压信号输出的方式测量震动环境中液体压力参数。如果使用环境的恶劣，电子压力传感器由于长期处于震动环境中造成线性不准和零点漂移的问题而又不能及时进行在线校准，机械压力传感器也容易由于震动而损坏。一旦损坏或者不准，现场又没有可更换的备用压力传感器，而无法继续钻井作业。

通常压力传感器是由压力敏感元件和信号处理电路两部分组成，敏感元件用来采集当前的压力信号，处理电路完成压力信号校准放大输出等任务，传感器在出厂之前必须进行线性修正和零点补偿，一旦传感器在用户手中使用后就不能在用户那里进行现场校准，需要拿回厂家进行校准。校准时一般都需要对传感器内部校准芯片进行通信这样就不可避免的使用数据线进行通信。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种内置参数的校准模拟传感器的方法，用于现有技术无法解决的问题。

本发明的技术解决方案是在模拟信号采集的压力传感器上使用模拟信号线作为数据线，做到一线两用的目的。通过使用普通的仪表放大器作为压力传感器敏感元件的信号的放大输出。使用一个EEPROM芯片(1-Wire^？EPROM芯片)存储主机传送过来的校准系数和系统参数。因为使用的是1-Wire^？单总线的芯片来传输数字信号，所以可以共用传感器的模拟信号输出线。为了实现数字信号与模拟信号在同一条线上进行分时传输必须与主机配套使用，这是因为如果没有主机则传感器一直输出的是模拟信号且输出值是没有校准的原始信号经过仪表放大器后的输出信号。压力传感器与主机配合使用，主机读取传感器存储的校准值与补偿值，然后按照计算公式进行修正最后主机将处理过的压力信号通过无线发送给主控制器。

按照1-Wire^？单总线通信要求在通信线上必须接一个上拉电阻R2。当数字信号1时需要上拉电阻R2来提供，数字信号0则需要主动方提供，因此这里的R1，R2的阻值选择要讲究，信号线上出现1信号时电阻R1，R2会分压数字信号1(高电平)所以R1的阻值与R2阻值之比大于10：1。

选择R1＝5.1K；R2＝510；因此当电源电压为3.3V时高电平被分压的后的电压VTH＝3.3V×(5.1K/5.61K)＝3V；满足芯片DS2431的TTL电平的高电平阀值。

使用仪表专用放大器AD623芯片将压力敏感元件产生的信号放大到0-3V之间的倍数，由于传感器敏感元件的本身的分散型，因此经过放大后的信号也不一致，因此需要校准。校准方法是主控制系统上位机软件控制传感器主机来实施，采用二次曲线方式用最小二乘法进行修正。将修正后的系数保存在传感器的EEPROM芯片内，然后主机每次通信前读取系数按照公式对压力传感器输出的信号进行修正然后传送给主控制器。

本发明EEPROM芯片与信号数据线的连接方式，严格遵守1-Wire标准协议。EEPROM芯片需要严格的协议来保证数据完整性，该协议在一根线上定义了四种类型的信号，包括：

复位脉冲和应答脉冲的复位序列，写0，写1，和读数据。除应答脉冲外，总线主机发出所有其它信号的下降沿。为了传输模拟信号不会受到数字信号的影响，上拉电阻R2需要使用开关，当进行数字信号通信时开关闭合接通电源正极实现上拉功能此时给EEPROM芯片供电，然后开始按照1-Wire^？标准协议通信，当要进行模拟信号输出是R2上的开关要断开这样经过AD623放大后的模拟信号会经过R1传给主机，让主机进行AD转换，而断开的R2不会对模拟信号产生任何影响。开关这里使用主机上的MCU的一个IO口来控制即可。主机非常灵活的控制传感器，当进行数字信号通信时接通上拉电阻R2，当进行AD采集时则关闭上拉电阻。

本发明优点在于：

1、一旦传感器使用过程中零点漂移或者线性不准能够通过主机人为参与及时进行补偿，将传感器采集的信号修正过来，达到在线校准，这样不会耽误现场使用提高了工作效率。