CN102353429B - 高精度谐振式水位传感器性能检测仪及测试方法 - Google Patents

高精度谐振式水位传感器性能检测仪及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高精度谐振式水位传感器性能检测仪及测试方法，采用气室压力变化来模拟实际水位变化，采集气室中谐振式水位传感器值送入控制器中处理达得到传感器性能曲线，气室中气量的改变等同于水箱中水位的变化。彻底消除了传统测试***的低稳定性、低精度、高误差的缺点。首先，利用一种新型的高精度频率测量法，使***频率测量误差不超过±5HZ,这与传统的测试***动辄几十赫兹甚至几百赫兹的误差相比，***精度达到一个新的层次；其次，***对被采样的数据用最小二乘法进行拟合处理，极大优化了***输出曲线，使得传感器性能测试曲线更接近与真实的曲线；最后，采用了高集成度处理器芯片，***可靠性也明显提高。

Description

高精度谐振式水位传感器性能检测仪及测试方法
技术领域
本发明涉及一种检测仪表，特别涉及一种高精度谐振式水位传感器性能检测仪及测试方法。
背景技术
谐振式水位传感器已在工业过程控制、汽车、环境与安全监测以及军事等领域起着重大作用。在实际应用中，水位传感器是数据采集的重要组成部分，其性能的优劣将直接决定采集的数据准确性和精确度。
目前市场上存在着各种类型的水位传感器性能的自动测试***，主要以PC或单片机为控制器为主。但传统***中大多数都有一个共同缺点就是稳定性和测量精度较低。
发明内容
本发明是针对现在水位传感器性能的自动测试***稳定性和测量精度较低的问题，提出了一种高精度谐振式水位传感器性能检测仪及测试方法，使用了高集成度的微控制器作为***控制核心，***可靠性也得到较大提升。
本发明的技术方案为：一种高精度谐振式水位传感器性能检测仪，谐振式水位传感器置于带有进气电磁阀的密闭气室内，谐振式水位传感器输出测量的频率经过放大电路到单片机控制器，单片机控制器输出控制信号经过光耦隔离，再经过功率放大电路放大后输出到电磁阀对气室进气口开闭进行控制，上位机采用MATLAB工具实现与下位机单片机控制器的通信、数据处理和显示测量结果。
所述单片机控制器采用美国ADI公司的数据采集芯片ADμC812作为控制器。
一种高精度谐振式水位传感器性能检测仪的测试方法，包括高精度谐振式水位传感器性能检测仪，具体包括如下步骤：
1）测试开始，单片机控制器输出信号经过光耦隔离，再经过功率放大电路放大后输出到电磁阀，打开气室并开始进气，***同时开始气室压力测量，直到测得压力值与单片机控制器中设定的第1个压力值相等，单片机控制器输出控制信号到电磁阀，关闭气室停止进气；
2）单片机控制器接收谐振式水位传感器，开始频率测量，初始化各定时器并开外部中断0，当被测信号的下降沿到来时，产生中断，软件开启闸门，同步打开计数器1和计数器2开始计数，同时关外部中断0，当定时器0定时到时（即预置闸门时间T到），开外部中断0，且此时外部中断计数器1和计数器2均不停止计数，直到被测信号的下降沿到来时，当被测信号下降沿到来时，外部中断0产生中断，同步关闭计数器1和计数器2，被测信号的频率可表示为：                                               ，
Figure 2011102409599100002DEST_PATH_IMAGE004
为被测信号频率，M为计数器l计数值，N为计数器2计数值，
Figure 2011102409599100002DEST_PATH_IMAGE006
为标准晶振信号频率；
3）将测得频率值保存到单片机控制器的内存单元，第1点测量完毕，重复步骤1）和2）进行2到10点的测量；
4）10点测试完毕，单片机控制器将所得10点频率值通过串口依次送入上位机中；
5）上位机采用MATLAB工具对频率数据进行采样频率值的优化处理，得出最终谐振式水位传感器特性曲线，并与标准特性曲线点比较，判断该传感器性能是否达标，并输出特征曲线。
所述步骤4）上位机串口与单片机控制器ADμC812通过MAX232电平转换芯片相连，***工作时，matlab通过调用serial类及相关函数来创建串口设备对象，并通过中断的方式的实时接收下位机发送的10个数据。
所述步骤5）上位机将接收到的10个数据用最小二乘法对采样点进行多次多项式拟合后，形成被测传感器的特性曲线。
本发明的有益效果在于：本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪及测试方法，使用了高集成度的微控制器作为***控制核心，具有性价比较高、稳定性强、精准度高的特点，实际运行可靠，有着很好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪硬件原理框图；
图2为本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪中水位传感器结构图；
图3为本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪中水位传感器等效电路图；
图4为本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪中同精度测频法原理图；
图5为本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪中频率测量软件流程图；
图6为本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪中传感器1特性测试曲线图；
图7为本发明高精度谐振式水位传感器性能检测仪中传感器2特性测试曲线图。
具体实施方式
高精度谐振式水位传感器性能检测仪采用了一种新型的频率测量方法—同精度测量法，这使得测得的传感器输出频率误差极低；另一方面又对采样的频率利用最小二乘法进行优化处理，使得到的传感器特性曲线更加接近于真实曲线。另外，本测试仪使用了高集成度的微控制器作为***控制核心，***可靠性也得到较大提升。该***具有性价比较高、稳定性强、精准度高的特点，实际运行可靠，有着很好的市场应用前景。
本***采用美国ADI公司一款十分优秀的数据采集芯片ADμC812作为***微控制器。ADμC812提供一套完整的******设备，不仅省去了为***配置额外器件的开销，更重要的是这大大提高了整个***的可靠性。
为了使得测试过程方便和高效，本***采用气室压力变化来模拟实际水位变化，即对密闭气室充气产生的气室压力来模拟实际中向箱体注水对箱底产生的压力，气室中气量的改变等同于水箱中水位的变化。***硬件原理框图如图1所示，***硬件电路以单片机4ADμC812作为主控制器，主要实现对气室压力的测量、谐振式水位传感器2、6输出频率的测量分别经过放大电路3、放大整形电路7到单片机控制器4，单片机控制器4输出控制信号经过光耦10隔离，再经过功率放大电路9放大后输出到电磁阀8对气室进气口开闭进行控制，上位机PC5采用功能强大的MATLAB工具来实现与下位机单片机控制器4的通信、对采集的数据进行处理及对测量曲线的显示。
谐振式水位传感器的工作原理是外部水位高度的变化通过空气压力转换成传感器内部膜片上压力的变化，从而导致传感器输出电感L的变化。水位传感器结构图如下图2所示，包括线圈11、铁芯12、空气导管13、气腔14、薄膜15、弹簧16。谐振式水位传感器等效电路图3所示，电感L与电容C1、C2组成谐振电路，并与数字反向器TC4069UB连接，输出标准方波，随着水位的变化，谐振频率作相应的改变。
本测试***共设定10个测量点，事先在单片机中存入10个标准压力值（与实际中的水位高度一一对应），单片机会在每个标准压力值点对传感器的输出频率进行测量并记录结果。
本***工作流程：测试开始，控制器4输出信号打开气室开关并开始进气，***同时开始气室压力测量，直到测得压力值与事先设定的第1个压力值相等，则停止进气；***开始频率测量，并将测得频率值保存到内存单元，第1点测量完毕；重新打开进气开关，按类似方法开始第2点测量，直到设定10点全部测量完毕；10点测试完毕，将所得10点频率值通过串口依次送入上位机5中，上位机5利用MATLAB工具对这些数据进行处理，最终的得出传感器特性曲线，并与标准特性曲线点比较，判断该传感器性能是否达标。
对水位传感器频率测量及误差分析：
（1）同精度测量法的原理：
频率测量是整个***的核心工作，频率的测量精度的高低将直接关系到最终特性曲线测量的准确度。
频率测量通常的方法主要有低频测周高频测频法、相检测频法。低频测周高频测频法存在中界频率测量误差很大的问题，从理论上讲频率的测量准确度很难提高到某个数量级。 
相检测频的思想就是通过捕捉被测信号与标准信号之间的相位重合点来检测它们之间的同步时刻，并用相位重合点来控制计数器的开闭。此方法能彻底消除传统测频方法中±1的计数误差，但其缺点是相位重合点很不易捕捉，这可能导致测量耗时较长。
本***采用同精度测频法。同精度测频法的思想是实际闸门时间不是固定的值，而是被测信号周期的整数倍，这使得闸门信号与被测信号同步，即只有当检测到被测信号下降沿到来时，闸门信号才开启。因此这种方法消除了对被测信号计数所产生±1个数字误差，并且达到了在整个测量频段的“同精度”测量，测量精度大大提高。如图4为同精度测量法原理图。
此方法用软件实现信号同步，需要用到1个定时器及2个计数器。测量前将被测信号一分为二，一个引到外部中断0的输入口，另一个引到计数器1的输入口。定时器0预先设置一个闸门时间T，计数器1用于对被测信号进行计数，计数器2用于对基准时钟信号进行计数。
测量开始后，初始化各定时器并开外部中断0。当被测信号的下降沿到来时，产生中断，软件开启闸门，同步打开计数器1和计数器2开始计数，同时关外部中断0。当定时器0 定时到时（即预置闸门时间T到），开外部中断0，且此时外部中断计数器1和计数器2均不停止计数，直到被测信号的下降沿到来时（在此也可看出实际闸门时间T‘应略大于预设闸门T）。当被测信号下降沿到来时，外部中断0产生中断，同步关闭计数器1和计数器2。综上所述，被测信号的频率可表示为：
Figure 351448DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 131185DEST_PATH_IMAGE004
为被测信号频率，M为计数器l计数值，N 为计数器2计数值，
Figure 526394DEST_PATH_IMAGE006
为标准晶振信号频率（晶振频率为11.0592MHZ）。图5为频率测量软件流程图。
（2）误差分析：
根据误差传递公式被测信号频率相对误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
 。其中
Figure DEST_PATH_IMAGE010
 为晶振的频率准确度；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为计数器1的计数相对误差；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为计数器2的计数相对误差。
由于被测信号是作为同步的触发信号，***对被测信号的计数没有误差，故
Figure 714668DEST_PATH_IMAGE012
=0。但由于晶振信号与闸门信号不同步，故有
Figure DEST_PATH_IMAGE016
N=±1。
Figure 474813DEST_PATH_IMAGE010
的值一般远小于
Figure 741847DEST_PATH_IMAGE014
,故可以忽略。所以同精度测频法可能产生的相对误差为： 
Figure DEST_PATH_IMAGE018
±
Figure 878430DEST_PATH_IMAGE014
=±1/N。而且N越大，此方法的相对误差就越小。
另外，本电路是通过外部中断服务程序来实现闸门开启与关闭的，所以存在一定的中断响应时间，这样就增大了误差，中断响应一般需要3到8个机器周期，因此会产生±5的中断响应误差。
通过以上误差分析，从而可知此方法的最大误差为k’=（
Figure 547309DEST_PATH_IMAGE016
N+（±5））/C’×100%，其中C’为与实际闸门时间T’对应的基准时钟信号的周期数。由于实际闸门时间T’应略大于预设闸门T，故与预置闸门时间T对应的基准时钟信号的周期数C则应略小于C’，故可得最大误差又可近似表示为k= (
Figure 540672DEST_PATH_IMAGE016
N+（±5））/C
Figure DEST_PATH_IMAGE020
×100%,可知实际误差k’小于近似误差k。定时器为16位的，最大计数可达65536，但考虑到实时性的问题，选择定时器0时间不能太长，即定时器0的初值不能太小。本***取定时器初值为30000，则可得最大误差k=（±1+（±5））/(65536-30000) ×100%=0.0169%
由于水位传感器输出频率范围约在20KHZ~30KHZ，故可计算出，***频率测量误差小于±5HZ，达到了真正的高精度频率测量。
采样频率值的优化处理及特性曲线的获取：本***采用matlab工具作为上位机显示界面，利用其强大的数据处理功能和图形显示功能，使得上位机软件设计在一定程度上得到简化。上位机串口与ADμC812通过MAX232电平转换芯片相连，***工作时，matlab通过调用serial类及相关函数来创建串口设备对象，并通过中断的方式的实时接收下位机发送的10个数据。上位机将接收到的10个数据用最小二乘法进行拟合，形成被测传感器的特性曲线，并与标准特性曲线公差带进行比较，判断出传感器性能是否达标。
最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，并最终可得到拟合曲线。
通过理论推导，可得到传感器输出特性曲线可近似用多次多项式来拟合。设所求曲线为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。最小二乘法的原理就是使以下M为最小值时得到
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE030
的值，令M=
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，其中m为采样值（，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
）的个数。如果把M看作
Figure 544269DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 281281DEST_PATH_IMAGE026
Figure 804666DEST_PATH_IMAGE028
Figure 676588DEST_PATH_IMAGE030
的函数，由多元函数最值的条件可知，上述问题可通过求下列方程组:
Figure DEST_PATH_IMAGE038
=0
Figure DEST_PATH_IMAGE044
=0
Figure DEST_PATH_IMAGE046
Figure DEST_PATH_IMAGE048
=0
来解决问题。由初始数据可得到：、 ，、
Figure 380288DEST_PATH_IMAGE028
Figure DEST_PATH_IMAGE060
及
Figure DEST_PATH_IMAGE062
的值，并代入上面方程组，即可求出
Figure 961442DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 296609DEST_PATH_IMAGE026
Figure 25530DEST_PATH_IMAGE028
Figure 104345DEST_PATH_IMAGE030
的值。
上述解题过程在Matlab环境下，可使用polyfit函数来实现。命令格式为：
P=polyfit（X，Y，n），其中n代表为要拟合的次数，X，Y分别为m采样值
Figure 540005DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 311652DEST_PATH_IMAGE036
的集合的行向量，其中X，Y均为1
Figure DEST_PATH_IMAGE064
m的行向量。求出结果即为[
Figure 698509DEST_PATH_IMAGE024
 
Figure DEST_PATH_IMAGE066
Figure 871181DEST_PATH_IMAGE028
 
Figure 813729DEST_PATH_IMAGE030
]=P，P为1
Figure 251664DEST_PATH_IMAGE064
n的行向量。
本***对每只传感器共采样10组数据，采用四次多项式对传感器特性曲线进行拟合，即n=4，X即各标准水位点的值，Y为各标准水位点下传感器输出方波频率值，其中X、Y均为1
Figure 609964DEST_PATH_IMAGE064
10的行向量。
如图6、7所示两只传感器特性曲线测试结果，采样10次，对应实际情况为每5cm高度采样一次。
传感器1测量数据（单位：khz）：27.012,26.981,26.453,25.825,25.327,24.805,23.813,23.080,22.443,21.707,19.583
传感器2测量数据（单位：khz）：
28．103,27.944,27.352,26.828,26.324,25.805,25.410,24.082,23.643,22.304,21.58
其中上下两条曲线之间区域为标准特性曲线公差带，中间曲线为被测传感器拟合特性曲线。
通过使用最小二乘法对采样点进行4次多项式拟合后，得到被测传感器特性曲线。从以上两图我们可以直观看出，传感器1性能测试合格，传感器2偏移量较大，测试结果不达标。
一种新型的谐振式水位传感器性能检测仪，彻底消除了传统测试***的低稳定性、低精度、高误差的缺点。本***具有以下几大创新，首先，利用一种新型的高精度频率测量法，使***频率测量误差不超过±5HZ,这与传统的测试***动辄几十赫兹甚至几百赫兹的误差相比，***精度达到一个新的层次；其次，***对被采样的数据用最小二乘法进行拟合处理，极大优化了***输出曲线，使得传感器性能测试曲线更接近与真实的曲线；最后，采用了高集成度处理器芯片，***可靠性也明显提高。

Claims (5)

1.一种高精度谐振式水位传感器性能检测仪，其特征在于，谐振式水位传感器置于带有进气电磁阀的密闭气室内，谐振式水位传感器输出测量的频率经过放大电路到单片机控制器，单片机控制器输出控制信号经过光耦隔离，再经过功率放大电路放大后输出到电磁阀对气室进气口开闭进行控制，上位机采用MATLAB工具实现与下位机单片机控制器的通信、 数据处理和显示测量结果。
2.根据权利要求1所述高精度谐振式水位传感器性能检测仪，其特征在于， 所述单片机控制器采用美国ADI公司的数据采集芯片ADμC812作为控制器。
3.一种高精度谐振式水位传感器性能检测仪的测试方法， 包括高精度谐振式水位传感器性能检测仪，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）测试开始，单片机控制器输出信号经过光耦隔离， 再经过功率放大电路放大后输出到电磁阀，打开气室并开始进气，***同时开始气室压力测量，直到测得压力值与单片机控制器中设定的第1个压力值相等，单片机控制器输出控制信号到电磁阀，关闭气室停止进气；
2）单片机控制器接收谐振式水位传感器，开始频率测量，初始化各定时器并开外部中断0，当被测信号的下降沿到来时，产生中断，软件开启闸门，同步打开计数器1和计数器2开始计数，同时关外部中断0，当定时器0定时到时（即预置闸门时间T到），开外部中断0，且此时外部中断计数器1和计数器2均不停止计数，直到被测信号的下降沿到来时， 当被测信号下降沿到来时，外部中断0产生中断，同步关闭计数器1和计数器2，被测信号的频率可表示为：                                               
Figure 2011102409599100001DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为被测信号频率， M为计数器l计数值， N为计数器2计数值，为标准晶振信号频率；
3）将测得频率值保存到单片机控制器的内存单元，第1点测量完毕，重复步骤1）和2）进行2到10点的测量；
4）10点测试完毕，单片机控制器将所得10点频率值通过串口依次送入上位机中；
5）上位机采用MATLAB工具对频率数据进行采样频率值的优化处理，得出最终谐振式水位传感器特性曲线，并与标准特性曲线点比较， 判断该传感器性能是否达标， 并输出特征曲线。
4.根据权利要求3所述高精度谐振式水位传感器性能检测仪的测试方法， 其特征在于，所述步骤4）上位机串口与单片机控制器ADμC812通过MAX232电平转换芯片相连，***工作时，MATLAB通过调用serial类及相关函数来创建串口设备对象，并通过中断的方式的实时接收下位机发送的10个数据。
5.根据权利要求3所述高精度谐振式水位传感器性能检测仪的测试方法，其特征在于， 所述步骤5）上位机将接收到的10个数据用最小二乘法对采样点进行多次多项式拟合后， 形成被测传感器的特性曲线。
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