1、壓力變送器概述
由于傳感器的輸出信號(hào)多種多樣，為了在實(shí)際應(yīng)用中增強(qiáng)傳感器的通用性以及簡(jiǎn)化信號(hào)的傳輸和記錄，通常需要電路將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。壓力變送器是一種將流體的壓力傳感器測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的裝置。壓力變送器主要分為絕壓變送器、表壓變送器和差壓變送器等類(lèi)型。絕壓變送器用于大氣壓不能對(duì)測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生影響的場(chǎng)合，比如真空精餾塔。表壓變送器使用大氣壓代替絕對(duì)真空，使用范圍更廣泛。差壓變送器則用于測(cè)量壓力差。
1.1 壓力變送器主體結(jié)構(gòu)
目前主流的壓力變送器主要由傳感器、測(cè)量膜盒和接口與處理電路三大部分組成。壓力傳感器與測(cè)溫傳感器共同密封在測(cè)量膜盒頂部，由兩塊密封法蘭夾住以組成變送器的測(cè)量部分，從而把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電子線路板和液晶顯示表頭及接線端子構(gòu)成接口與處理電路，負(fù)責(zé)放大傳感器輸出的電信號(hào)、模數(shù)轉(zhuǎn)化、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)以及輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
1.2 壓力變送器分類(lèi)
利用不同測(cè)量原理制作而成的壓力變送器，按各自的工作原理可分為電容式壓力變送器、諧振式壓力變送器以及單晶硅壓力變送器等類(lèi)型。
①電容式壓力變送器
電容式壓力變送器的工作原理是流體壓差通過(guò)介質(zhì)傳遞到內(nèi)部金屬電容極板。極板產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的形變，導(dǎo)致電容量發(fā)生變化。這種變化通過(guò)電路處理就能得到壓力信號(hào)。電容式壓力變送器的典型產(chǎn)品為美國(guó)艾默生公司生產(chǎn)的羅斯蒙特1151系列。該系列產(chǎn)品在20世紀(jì)80年代引進(jìn)中國(guó)以后，經(jīng)過(guò)中國(guó)儀表制造商多年的研究和探索，將其準(zhǔn)確度等級(jí)從0.5級(jí)提高到了0.1級(jí)。但是羅斯蒙特隨后推出了3051C/S系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)隔離、懸浮、電路可靠性提升等改進(jìn)，使準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0.05級(jí)。這種技術(shù)壁壘一直不能被中國(guó)本土企業(yè)所突破。
②諧振式壓力變送器
諧振式壓力變送器的原理是：擴(kuò)散硅薄膜在一定壓差作用下產(chǎn)生形變，引起內(nèi)部的諧振梁頻率變化；流體壓差傳遞到內(nèi)部的單晶硅諧振梁上；諧振梁在壓力的作用下產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)；頻率信號(hào)通過(guò)電路處理就得到并輸出壓力信號(hào)。日本橫河電機(jī)株式會(huì)社和重慶橫河川儀有限公司是諧振式壓力變送器的代表企業(yè)。其主要產(chǎn)品型號(hào)有EJA和EJX系列。該系列變送器的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在溫度和靜壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)。其準(zhǔn)確度能達(dá)到0.065級(jí)。這種單晶硅諧振式芯片的批量制造技術(shù)一直被國(guó)外企業(yè)所壟斷。
③單晶硅壓力變送器
單晶硅式壓力變送器的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)惠斯通電橋。外界壓差通過(guò)介質(zhì)傳遞到內(nèi)部電橋。由于材料的壓阻效應(yīng)，電橋產(chǎn)生一個(gè)隨壓力變化的阻值。通過(guò)電路檢測(cè)電橋的輸出即可得到壓力信號(hào)。單晶硅壓力變送器的主要代表企業(yè)有霍尼韋爾、西門(mén)子、ABB等。單晶硅壓力變送器具有輸出靈敏性高、信號(hào)量大、回差極小和電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔可靠等特點(diǎn)。然而由于特殊的工藝要求，直到2010年之前，單晶硅壓力變送器的技術(shù)還一直由美國(guó)、德國(guó)、瑞士等國(guó)家所掌握。隨著國(guó)內(nèi)廠商上海洛丁森工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司、云南昌暉儀表制造有限公司與瑞士ROCKSENSOR公司的技術(shù)合作、引進(jìn)和再研發(fā)，國(guó)內(nèi)逐步掌握了0.05級(jí)準(zhǔn)確度的高精度壓力變送器的制造技術(shù)。
2、壓力變送器研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(micro- electro- mechanical system， MEMS)技術(shù)的快速進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的智能儀器在近年來(lái)也得到快速發(fā)展。
有關(guān)壓力變送器的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
①壓力變送器通信方式。
②高溫極端環(huán)境中的壓力傳感器。
③具有自診斷功能的壓力變送器。
④壓力變送器溫度補(bǔ)償方法。
⑤壓力變送器其他方面的研究進(jìn)展。
本節(jié)從以上五個(gè)研究方向，分別敘述和分析近五年來(lái)相關(guān)的文獻(xiàn)研究。
2.1 壓力變送器通信方式
過(guò)去的壓力變送器僅支持工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域常用的4-20mA模擬標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。隨著信息化、數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多支持?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的智能壓力變送器得以研發(fā)、制造。HART智能壓力變送器基于可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer， HART)的開(kāi)放通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一款兩線制的壓力變送器。該壓力變送器只需兩根導(dǎo)線，不僅可以傳輸數(shù)字和模擬信號(hào)，還可以給設(shè)備供電。與其他僅支持?jǐn)?shù)字信號(hào)的協(xié)議相比，該壓力變送器的顯著特點(diǎn)是在傳輸數(shù)字信號(hào)的同時(shí)保留了4-20mA模擬電流信號(hào)，因而在數(shù)字化儀表逐步替代傳統(tǒng)模擬儀表的過(guò)渡時(shí)期發(fā)揮了重要作用。但是HART協(xié)議是半數(shù)字通信方式，僅支持單向傳輸，且信道為一對(duì)一。隨著技術(shù)的發(fā)展，HART協(xié)議逐漸不能滿足現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制系統(tǒng)間的信息交換需求。
在數(shù)字化、智能化的工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的數(shù)字化具有重要意義。在傳統(tǒng)壓力變送器的基礎(chǔ)上，基于控制器局域網(wǎng)(controller area network， CAN)總線的方式對(duì)變送器進(jìn)行數(shù)字化改造，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可嵌入安裝在壓力變送器內(nèi)部的小體積、高精度、數(shù)字式的壓力測(cè)量模塊，從而顯著提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)信息交換的效率和可靠性。設(shè)計(jì)了一款測(cè)量水網(wǎng)管線壓力的變送器。該變送器輸出電流信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程終端單元(remote terminal unit， RTU)匯聚后，使用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)娇刂剖乙约酗@示參數(shù)。該變送器準(zhǔn)確度達(dá)到0.14%，并且全部采用國(guó)產(chǎn)化元器件，具有自主可控、使用簡(jiǎn)單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)線通信在過(guò)去的幾年中受到了廣泛的關(guān)注。工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)具有低成本、高效率、高可靠、鋪設(shè)便捷等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是對(duì)于易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境的信號(hào)傳輸，如油氣、化工、罐區(qū)等場(chǎng)景，無(wú)線傳輸是一種經(jīng)濟(jì)、有效的通信手段。設(shè)計(jì)了一種基于電容式傳感器的無(wú)線壓力測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過(guò)電容式傳感器和信號(hào)調(diào)理電路將施加的壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，然后利用頻移鍵控(frequency shift keying， FSK)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線發(fā)送和接收。該系統(tǒng)滿量程誤差控制在1.6%以內(nèi)，適用于無(wú)線通信在過(guò)去的幾年中受到了廣泛的關(guān)注。工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)具有低成本、高效率、高可靠、鋪設(shè)便捷等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是對(duì)于易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境的信號(hào)傳輸，如油氣、化工、罐區(qū)等場(chǎng)景，無(wú)線傳輸是一種經(jīng)濟(jì)、有效的通信手段。設(shè)計(jì)了一種基于電容式傳感器的無(wú)線壓力測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過(guò)電容式傳感器和信號(hào)調(diào)理電路將施加的壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，然后利用頻移鍵控(frequency shift keying， FSK)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線發(fā)送和接收。該系統(tǒng)滿量程誤差控制在1.6%以內(nèi)，適用于危險(xiǎn)性高的易燃易爆區(qū)域和一些線纜安裝維護(hù)比較困難的區(qū)域。此外，F(xiàn)SK還具有很強(qiáng)的安全性、高效性和抗噪能力。設(shè)計(jì)了一款基于MEMS技術(shù)的電容式壓力變送器。該變送器通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法補(bǔ)償非線性誤差。該變送器選用鈮酸鋰(LiNbO3)作為遠(yuǎn)距離光通信材料。由于光的特性，這種傳輸方法幾乎是無(wú)損的，并且具有可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單、危險(xiǎn)性低的特點(diǎn)。
隨著工業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，對(duì)智能化傳感器的要求越來(lái)越高。提出了一種具有實(shí)時(shí)故障診斷功能的無(wú)線智能壓力變送器。該變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力傳感器的模擬輸出并運(yùn)行自診斷程序，從而通過(guò)無(wú)線傳輸方式將產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)和診斷信息傳送至接收系統(tǒng)。針對(duì)工業(yè)過(guò)程存在電磁干擾、空間復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線高精度壓力變送器，實(shí)現(xiàn)了面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(wireless network for industrial automation- process atuomation， WIA- PA)標(biāo)準(zhǔn)和單晶硅壓力測(cè)量技術(shù)的結(jié)合。該無(wú)線高精度壓力變送器能有效提高工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)壓力測(cè)量的信息化、數(shù)字化管理水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。
2.2 高溫極端環(huán)境中的壓力傳感器
一些苛刻的工業(yè)環(huán)境對(duì)高溫壓力變送器有著廣泛的需求，所以高溫壓力傳感器的研究也是一個(gè)重要課題。當(dāng)前，主流的高溫壓力傳感器都是基于絕緣硅材料制成的。該材料具有耐高溫、耐輻射、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，但也存在高溫下穩(wěn)定性差和自熱等問(wèn)題。碳化硅(SiC)作為新型耐高溫材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)了一種基于4H- SiC制成的壓阻式壓力傳感器。該壓力傳感器能在-50～+300 ℃范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出測(cè)量結(jié)果，并且能在有酸性腐蝕和輻射的環(huán)境中穩(wěn)定工作。隨著石墨烯技術(shù)的不斷發(fā)展，采用MEMS技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了一種由石墨烯材料制成的高溫壓力傳感器敏感元件。該敏感元件的傳感器在高溫下性能優(yōu)異，靈敏度遠(yuǎn)高于以往的高溫MEMS壓力傳感器。此外在一些極端環(huán)境，如高溫液態(tài)金屬環(huán)境，該傳感器的測(cè)量溫度范圍可以從室溫覆蓋到接近600 ℃的高溫。而傳統(tǒng)產(chǎn)品在此環(huán)境下的壓力測(cè)量能力則受到極大限制。提出了基于布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating， FBG)傳感器的壓力測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了熱膨脹問(wèn)題的影響。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)在高溫液態(tài)金屬等極端環(huán)境中進(jìn)行壓力測(cè)量具有有效性。以高溫熔鹽壓力變送器為研究對(duì)象進(jìn)行了故障模式和影響分析。其尋找儀表可靠性的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵影響因素，對(duì)儀表的耐腐蝕性的評(píng)價(jià)有一定參考性。
2.3 具有自診斷功能的壓力變送器
隨著現(xiàn)代工業(yè)不斷邁向數(shù)字化和自動(dòng)化，對(duì)儀表的智能化需求日益增加。這意味著儀表需要具備自我診斷功能，能夠評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量，并對(duì)檢測(cè)到的故障進(jìn)行糾正。為了滿足安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型和系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種功能安全的壓力變送器。該壓力變送器的變送器部件采用二重化功能設(shè)計(jì)，可診斷出差壓變送器的故障，具有一定的自診斷功能。通過(guò)和變送器制造商合作，確定了變送器的一個(gè)重要故障模式-介質(zhì)流體泄漏，并通過(guò)診斷程序?qū)ζ溥M(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。提出了符合功能安全的智能壓力變送器，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、部件的完整性測(cè)試和自診斷方案的設(shè)計(jì)。符合功能安全的智能壓力變送器會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)是否存在系統(tǒng)故障、是否存在模塊功能失效，并實(shí)時(shí)將異常狀態(tài)通過(guò)故障報(bào)警上報(bào)給安全控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)或者監(jiān)控人員據(jù)此及時(shí)作出安全響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)功能安全。
2.4 壓力變送器溫度補(bǔ)償方法
壓力變送器的高精度標(biāo)準(zhǔn)化輸出一直是變送器研究的熱點(diǎn)方向。對(duì)于批量生產(chǎn)的壓力變送器，需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)線性化輸出，從而滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量精度要求和通信標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是基于哪種原理制作的壓力傳感器，外界環(huán)境都會(huì)對(duì)材料的特性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)較大誤差。因此，變送器在出廠前都需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓力變送器溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行了廣泛探索和研究。研究主要分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩個(gè)方向。
硬件補(bǔ)償主要通過(guò)改進(jìn)測(cè)量電路與設(shè)計(jì)工藝或者優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)等方法進(jìn)行矯正。采用無(wú)源電阻網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償模型對(duì)壓力傳感器的低溫區(qū)域進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得到的補(bǔ)償精度為2%。研究了一種基于可編程增益放大器PGA308的電流輸出型壓力變送器標(biāo)定方法。該方法使用平均斜率法擬合變送器的輸入輸出曲線，精度可達(dá)0.0063%。硬件補(bǔ)償方法通常是針對(duì)某種傳感器進(jìn)行特定的硬件設(shè)計(jì)或優(yōu)化。由于硬件補(bǔ)償調(diào)試較復(fù)雜、通用性較差，工程應(yīng)用中更傾向于使用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/span>
軟件補(bǔ)償具備易實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，主要分為插值法、多項(xiàng)式擬合、支持向量機(jī)(support vector machine， SVM)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。變送器各類(lèi)軟件溫度補(bǔ)償算法的性能比較表1所示。
表1 壓力變送器各類(lèi)軟件溫度補(bǔ)償算法的性能比較
①插值法
插值法的步驟為：首先，根據(jù)標(biāo)定點(diǎn)，在工作溫度范圍內(nèi)等間隔劃分若干個(gè)溫度區(qū)間；然后，分別在每個(gè)溫度下記錄壓力傳感器的輸出曲線，通過(guò)擬合直線變換函數(shù)確定曲線的系數(shù)；最后，將不同溫度下的輸出曲線參數(shù)通過(guò)參數(shù)矩陣存儲(chǔ)起來(lái)。實(shí)際工作時(shí)，插值法先根據(jù)實(shí)際溫度選擇對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間下的參數(shù)，再計(jì)算最終的壓力值。提出了一種基于變換函數(shù)系數(shù)的線性插值法，以對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。研究了以擴(kuò)散硅作為壓力變送器的測(cè)壓變送器，并采用線性插值的溫度修正方法。該方法可實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05%、電流輸出準(zhǔn)確率優(yōu)于0.02%。該方法操作簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快，無(wú)需在上位機(jī)編寫(xiě)專(zhuān)用的軟件，可直接在設(shè)備內(nèi)完成，目前已廣泛應(yīng)用于壓力變送器生產(chǎn)。但是補(bǔ)償精度與選擇溫度點(diǎn)的個(gè)數(shù)相關(guān)，且需消耗存儲(chǔ)資源以保存參數(shù)矩陣。
②多項(xiàng)式擬合
多項(xiàng)式擬合的流程為：首先，在工作溫度范圍內(nèi)，等間隔選取溫度點(diǎn)，并分別在每個(gè)溫度下采樣各壓力值下的輸出值，以采樣的數(shù)據(jù)作為多項(xiàng)式擬合的樣本數(shù)據(jù)；然后，根據(jù)曲面擬合方法求出測(cè)量值、溫度與輸出壓力之間的函數(shù)關(guān)系，以最小二乘法計(jì)算回歸方程的系數(shù)。當(dāng)多項(xiàng)式函數(shù)確定以后，只需將測(cè)量到的數(shù)據(jù)代入多項(xiàng)式函數(shù)中，即可求出被測(cè)壓力。設(shè)計(jì)了最小二乘法和拋物線插值融合的補(bǔ)償方法，顯著地改善了傳感器的測(cè)量精度。針對(duì)硅壓阻式壓力傳感器存在的溫度漂移等非線性問(wèn)題，提出了一種基于最小二乘法的曲面擬合高精度溫補(bǔ)算法，使得補(bǔ)償過(guò)后的輸出誤差小于0.01%。采用最小二乘法曲面擬合原理對(duì)壓阻式壓力傳感器進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活性好，但由于溫補(bǔ)使用的樣本量小，少量的噪聲就會(huì)對(duì)最終的擬合結(jié)果造成過(guò)大的影響。此外，為了實(shí)現(xiàn)高精度補(bǔ)償，需計(jì)算多項(xiàng)式的高次項(xiàng)系數(shù)。這會(huì)消耗大量的計(jì)算資源。
③SVM
SVM是一種建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)理論基礎(chǔ)上的有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法。SVM具有很強(qiáng)的魯棒性，對(duì)小樣本的非線性數(shù)據(jù)回歸效果很好，能夠貼合傳感器受溫度影響的特點(diǎn)，是解決變送器溫度補(bǔ)償?shù)挠行Х椒ㄖ?。但在?shí)際使用中，SVM存在核函數(shù)和懲罰參數(shù)選擇困難的問(wèn)題。所以使用差分進(jìn)化算法在給定范圍內(nèi)對(duì)SVM的參數(shù)進(jìn)行全局尋優(yōu)。通過(guò)試驗(yàn)證明，此方法明顯降低了變送器的測(cè)量誤差，對(duì)于訓(xùn)練集中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的樣本，模型仍然能夠較好地進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
④神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)獲取數(shù)據(jù)樣本而非整個(gè)數(shù)據(jù)集的方式提供解決方案，具有強(qiáng)大的非線性映射能力和泛化能力，非常適用于壓力變送器的溫度補(bǔ)償。
1)在變送器溫度補(bǔ)償中，反向傳播(back propagation， BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛應(yīng)用。但是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在難以收斂、易陷入局部最優(yōu)解、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。針對(duì)這些難題，主要改進(jìn)算法大致分為兩類(lèi)：?jiǎn)l(fā)式算法，如遺傳算法和粒子群算法；數(shù)值優(yōu)化算法，如共軛梯度法和牛頓法。提出了一種改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)重和閾值。該算法引入Tent混沌映射函數(shù)、自適應(yīng)遺傳算子和染色體擾動(dòng)，顯著地提高了遺傳算法的尋優(yōu)能力。對(duì)于數(shù)值優(yōu)化方法，提出了一種改進(jìn)的高斯牛頓法。該方法用于對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的靈敏度系數(shù)達(dá)到了9.31×10-7。使用粒子群算法和Levenberg- Marquardt(LM)算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該方法結(jié)合了三種算法的優(yōu)點(diǎn)，有效抑制了溫度對(duì)傳感器的影響。
2)除了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、收斂速度快的徑向基(radial basis function， RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也廣泛應(yīng)用于傳感器溫度補(bǔ)償中。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用自組織聚類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，選取網(wǎng)絡(luò)中心值，解決了以往算法隨機(jī)選擇中心引起的收斂不穩(wěn)定和計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題，提高了模型的泛化能力。為了避免根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取的RBF參數(shù)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不匹配問(wèn)題，使用果蠅優(yōu)化算法(fruitfly optimization algorithm， FOA)對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，有效地削弱了溫度對(duì)傳感器性能的影響。
3)此外，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(wavelet neural network， WNN)在溫度補(bǔ)償上的應(yīng)用也較為普遍。WNN避免了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不確定性，具有學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、收斂速度更快的特點(diǎn)。利用WNN的特性，提出了基于粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization， PSO)算法的WNN溫度補(bǔ)償方法。該方法將全溫區(qū)的準(zhǔn)確度提高至0.14%，使得溫度漂移得到明顯改善。
4)深度置信網(wǎng)絡(luò)(deep belief network， DBN)作為深度學(xué)習(xí)中的一種重要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在連續(xù)堆疊的多層結(jié)構(gòu)中進(jìn)行分層表征和更深層次的理解與學(xué)習(xí)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著性進(jìn)展。將優(yōu)化的DBN模型應(yīng)用在壓力傳感器的溫度補(bǔ)償中。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有較好的穩(wěn)定性。但是該模型使用區(qū)間定位搜索的方式搜索DBN的超參數(shù)，既耗費(fèi)運(yùn)算資源又容易陷入局部最小值。因此，提出了基于自適應(yīng)DBN的高精度壓力變送器溫度補(bǔ)償方法。該方法引入白鯨優(yōu)化(beluga whale optimization， BWO)算法對(duì)DBN的超參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。該方法利用BWO算法在全局搜索和局部尋優(yōu)之間強(qiáng)大的平衡能力，可有效提高網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性；同時(shí)，引入模擬退火Metropolis準(zhǔn)則，可進(jìn)一步提高算法尋找最優(yōu)解的能力，從而大幅提升變送器的測(cè)量精度。
傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法無(wú)論是硬件補(bǔ)償還是軟件補(bǔ)償，都需要額外的部件測(cè)量壓力變送器內(nèi)部的溫度。這需要一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)以計(jì)算壓力變送器的溫度補(bǔ)償?；诎雽?dǎo)體制成的壓阻式傳感器的固有特性是對(duì)溫度比較敏感，所以提出了一種僅使用單晶硅壓阻式傳感器同時(shí)完成壓力和溫度測(cè)量的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測(cè)量精度能達(dá)到0.03%滿量程(full scale， FS)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在不修改硬件的情況下將溫度測(cè)量功能添加到現(xiàn)有的單晶硅壓阻式變送器中。也提出了一種不需要額外測(cè)溫器件的壓阻式傳感器溫度補(bǔ)償方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)惠斯通電橋由恒流源供電時(shí)，輸出電壓可以反映環(huán)境溫度的變化。此方法可顯著降低溫度對(duì)變送器測(cè)量精度的影響。
2.5 壓力變送器其他方面的研究進(jìn)展
目前，壓力變送器的常規(guī)檢定只是在其低壓端通大氣，但實(shí)際使用中差壓變送器的兩端口往往存在一定的靜壓。在不同的靜壓下，差壓變送器的測(cè)量性能可能受到顯著影響。忽略靜壓影響可能造成檢定結(jié)果的偏差和誤判。因此，靜壓下的差壓補(bǔ)償十分重要。設(shè)計(jì)了一款工業(yè)差壓控制設(shè)備檢測(cè)裝置，用于常壓和靜壓下差壓變送器的檢定。設(shè)計(jì)了一種差壓變送器靜壓實(shí)時(shí)補(bǔ)償裝置，最大限度地補(bǔ)償了靜壓帶來(lái)的誤差、提高了差壓的測(cè)量準(zhǔn)確度。現(xiàn)有的靜壓校準(zhǔn)只考慮了大氣壓下的校準(zhǔn)，而高靜壓校準(zhǔn)并不普及，且現(xiàn)存的高靜壓矯正裝置操作復(fù)雜，導(dǎo)致應(yīng)用受到一定的限制。因此，設(shè)計(jì)了一種高靜壓下的壓差器件校準(zhǔn)裝置。該裝置操作簡(jiǎn)單、使用方便，同時(shí)避免了由于差壓器件兩端壓力過(guò)大而導(dǎo)致的器件損壞。
除了上述研究外，研制了一款具有統(tǒng)一電子元件的電容式差壓變送器。該電容式差壓變送器由可編程片上系統(tǒng)(programmable system- on- chip， PSoC)技術(shù)開(kāi)發(fā)而成。該電容式差壓變送器擁有卓越的抗噪性能，能有效地減少組件的占用空間，使系統(tǒng)靈活性更好，并融合了模擬和數(shù)字信號(hào)處理的能力。設(shè)計(jì)了一款使用梁式結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的低成本差壓變送器。設(shè)計(jì)了一種具有雙鎖結(jié)構(gòu)的差壓傳感器元件，并通過(guò)建模分析了硅晶體傳感元件能夠承受的壓力上限。該傳感元件能保護(hù)測(cè)量膜在多次超過(guò)10倍的過(guò)載下不被破壞。為了打破西方對(duì)高精度壓力變送器的壟斷，設(shè)計(jì)了一款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的YR-ER100系列高穩(wěn)定性壓力變送器。該壓力變送器最高準(zhǔn)確度達(dá)到0.05級(jí)。
3、發(fā)展趨勢(shì)壓力變送器的發(fā)展
從最初的簡(jiǎn)單功能型逐步演進(jìn)為如今的智能型。從整體的趨勢(shì)看，無(wú)線化、智能化、高精度將成為壓力變送器的主要發(fā)展方向。
①無(wú)線化
隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速率都得到快速的提升。這使得無(wú)線化的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，通常存在布線困難、人員難以到達(dá)、電磁干擾強(qiáng)、空間復(fù)雜等特點(diǎn)，尤其是油氣、化工行業(yè)。采用無(wú)線化的高精度壓力變送器能夠顯著提高工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)壓力測(cè)量的信息化、數(shù)字化管理水平，大幅降低運(yùn)維成本。無(wú)線化壓力變送器將在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
②智能化
傳感器不斷發(fā)展及電子技術(shù)不斷革新。傳感器通過(guò)和微處理器結(jié)合變得更加智能。變送器將具有更加豐富的功能，例如自診斷、豐富的接口協(xié)議等。這種智能化的趨勢(shì)使得變送器在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用中更加靈活、可靠。具有自診斷功能的智能變送器實(shí)時(shí)地將故障和報(bào)警信息上傳給安全控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)及時(shí)處理存在的故障和風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和穩(wěn)定性；豐富的接口協(xié)議能讓變送器滿足更多的應(yīng)用場(chǎng)景，使得變送器更容易與其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行集成，推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)自動(dòng)化和智能化的發(fā)展。
③高精度
隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，更多的先進(jìn)材料可以被用于制造壓力傳感器的敏感元件，諸如碳化硅、石墨烯等。這些新材料在各種溫度條件下都能保持卓越的性能，從而顯著提升壓力變送器的應(yīng)用范圍和可靠性。同時(shí)，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，壓力變送器將實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。
4、結(jié)論
壓力變送器作為一種高精密的壓力測(cè)量?jī)x器，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了壓力變送器的主體結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)分類(lèi)；然后從通信方式、高溫極端環(huán)境的測(cè)量、自診斷功能、溫度補(bǔ)償方法等方面分析了壓力變送器的研究現(xiàn)狀；最后對(duì)壓力變送器未來(lái)可能的發(fā)展方向作了展望-無(wú)線化、智能化和高精度將會(huì)成為壓力變送器未來(lái)的主要發(fā)展方向。緊跟國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，持續(xù)推動(dòng)壓力變送器的研究和應(yīng)用至關(guān)重要。我國(guó)應(yīng)提高傳感器核心部件的國(guó)產(chǎn)化能力，進(jìn)而提升整體技術(shù)水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
作者： 高彬彬、顧幸生
