專利名稱：智能大氣壓力測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及大氣環(huán)境監(jiān)測裝置，特別是涉及一種測量大氣壓力的裝置。
背景技術：
大氣壓力與人們的日常生活密切相關。在氣象觀測、海上航行、航天探空、能源開發(fā)、交通旅游、環(huán)境保護等諸多領域，經常需要對大氣壓力進行測量。氣壓觀測也是海洋環(huán)境監(jiān)測站和艦船氣象的常規(guī)觀測項目，氣壓測量在這些領域起著非常重要的作用。大氣壓力測量儀器得到不斷更新和發(fā)展，從早期的玻璃水銀氣壓表、空盒氣壓計和沸點氣壓計已經發(fā)展到現(xiàn)在常用的數(shù)字振筒氣壓儀，實現(xiàn)了氣壓觀測的自動化?，F(xiàn)有的自動化大氣壓力測量儀器，采用的測量原理不同，使用過程中存在以下問題1、振筒式氣壓儀通過采集振筒傳感器的振動頻率量，經過其內部的溫度傳感器進行溫度補償后，計算出大氣壓力。它雖然具有測量精度高、穩(wěn)定性好、量程寬、響應快等優(yōu)點，但是儀器的體積相對較大，僅適用于地面氣象觀測系統(tǒng)中，在振動和搖擺較大的艦船上并不適用。目前艦船上普遍使用空盒氣壓表進行氣壓觀測，但該氣壓表要求放置在溫度均勻少變，沒有熱源、不直接通風的房間內，要始終避免太陽直接照射，對環(huán)境要求較高，而且需要在人工觀測后對數(shù)據(jù)進行訂正，人員勞動強度大，易出錯，無法適應無人值守的需求。2、部分自動化氣壓測量設備的敏感元件采用分立的小信號模擬輸出半導體器件，需要信號處理電路對輸入信號進行濾波、整形和放大，調理測量電路復雜，測量精度容易受到模擬器件溫漂的影響。3、由于溫度對氣壓的測量結果影響比較顯著，測量電路需要引入相應溫度測量電路進行計算校準，其兩部分電路常常不能合二為一，增加了設計復雜度，氣壓采集和溫漂校準電路未采用高性能微控制器管理和控制，智能化程度較低。4.由于采用模擬量輸出，普通用戶不能根據(jù)標準計量部門出具的檢驗報告自行校準傳感器，需要到定期廠家進行校準，增加了用戶使用成本，無法不間斷在線使用。

實用新型內容針對現(xiàn)有技術的大氣壓力測量所存在的問題，本實用新型推出一種智能大氣壓力測量裝置，將集成溫度傳感器的數(shù)字氣壓敏感元件、數(shù)據(jù)采集電路、高性能微控制器結合起來。該裝置采用數(shù)字電路設計，克服了傳統(tǒng)模擬調理電路設計復雜、精度易受器件溫度漂移影響的缺點，可實現(xiàn)長期、連續(xù)、自動測量大氣壓力，并具有數(shù)字輸出、自校準、自動標定等智能性特點，可滿足地面氣象觀測系統(tǒng)和艦船對于無人值守氣壓連續(xù)觀測的需求。本實用新型所涉及的智能大氣壓力測量裝置包括殼體、安裝底板、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板、引壓導管、氣動快速接頭。安裝底板固定在殼體底部，傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板和引壓導管設置在殼體內，數(shù)據(jù)采集電路板固定殼體內部，傳感器模塊通過雙排插針焊接在數(shù)據(jù)采集電路板上；殼體的側面開孔安裝接線端子；數(shù)據(jù)采集電路板包括微控制器、電源單元、數(shù)據(jù)接口單元、地址編碼單元；傳感器模塊主要包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器，它們直接焊接在傳感器模塊上，氣壓敏感元件采用智能集成氣壓敏感元件MS5534C，與微控制器的接口方式是SPI數(shù)字接口 ；引壓導管一端連接氣壓敏感元件，另一端連接設置在殼體側面的氣動快速接頭；電源單元輸出連接至微控制器、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接口單元的電源輸入引腳；微控制器采用8位增強型微控制器；數(shù)據(jù)接口單元輸入端連接微控制器。殼體為框形結構，采用鑄鋁合金材料，側面安裝AKZ1700-3. 81型5芯可插撥的接線端子，信號導線一端通過絕緣歐式壓線端子壓接后與該接線端子旋接，另一端與外部氣壓數(shù)據(jù)采集器相接駁。安裝底板兩端呈圓弧形，使用螺栓通過殼體的內螺紋與殼體相固定。引壓導管用于進行裝置壓力標定，它一端連接傳感器模塊的氣壓敏感元件的不銹鋼保護罩，一端連接氣動快速接頭。氣動快速接頭穿過鑄鋁合金外殼圓通孔后固定在外殼側面。數(shù)據(jù)采集電路板的電源單元采用二級電源管理方案，負責對輸入的電源進行變換，第一級采用5V輸出的開關電源芯片，其5V輸出連接第二級線性LDO芯片的輸入，LDO芯 片的3V輸出連接至微控制器、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接口單元的電源輸入引腳。微控制器是采集電路的核心部分，負責智能大氣壓力測量裝置的運行和控制。數(shù)據(jù)接口單元負責完成傳感器數(shù)字化輸出的信號轉換工作，其輸入端連接至微控制器的UART0，輸出端連接至接線端子。地址編碼單元用于設置該大氣壓力測量裝置的地址編碼，最大的地址數(shù)量為64個，可使用的地址范圍是0-63，編碼單元采用撥碼開關通過上拉電阻連接至微控制器的6個I/O接口。傳感器模塊主要包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器。傳感器模塊通過雙排插針固定在數(shù)據(jù)采集電路板上。氣壓敏感元件采用MEMS型智能集成氣壓敏感元件，內含溫度傳感器，可以對測量結果進行溫度補償修正。氣壓敏感元件和其運行所需的有源晶體振蕩器直接焊接在傳感器模塊上，有源晶體振蕩器的頻率是32. 768KHZ。有源晶體振蕩器的第3腳輸出連接至氣壓敏感元件的主時鐘輸入第5腳MCLK。傳感器模塊通過5芯雙排插針焊接至數(shù)據(jù)采集電路板，提供傳感器模塊的電源和微控制器信號連接通路。雙排插針的第I和第2腳分別是電源+3V和GND，與電源單元3V輸出相連接，第3-5腳是SPI數(shù)字接口信號引腳，提供氣壓敏感元件與微控制器的SPI接口信號SCLK、DOUT和DIN的連接通路。為了保證在常溫測量下和在溫度變化時氣壓測量準確度，需要對測量結果進行絕對誤差修正校正和溫度補償修正。修正依照實驗結果進行，首先對氣壓敏感元件進行全范圍的常溫變壓和常壓變溫測試，對測試結果進行數(shù)據(jù)分析，研究其線性和離散性分布，通過使用最小二乘法計算得到一條修正曲線，將其輸入微控制器，編入程序中。在測量過程中利用這條曲線將獲得的數(shù)據(jù)作相應的修正，最終獲得準確的測量結果。具體修正方法如下(I)氣壓絕對誤差修正由于氣壓敏感元件具有較高的長期穩(wěn)定性，在恒定溫度條件下，不同壓力范圍的測量絕對誤差基本可以作為一個固定偏差處理，因而絕對誤差的修正方法就可以直接運用公式下式來完成。P=Pt- Δ P..............................................(I)上式P代表實際氣壓值，Pt代表該大氣壓力測量裝置測量氣壓值，Ap代表絕對誤差。具體做法是，將待測氣壓測量裝置放入到氣壓檢定箱，依據(jù)選取的測量點，改變氣壓檢定箱設置氣壓值，等待測量值穩(wěn)定后記錄氣壓測量裝置不同測量點中的P和Ap，然后依據(jù)上式計算修正后氣壓測量值。(2)氣壓的溫度補償該大氣壓力測量裝置中的氣壓敏感元件測量性能受溫度條件影響非常大，通過對裝置進行實驗，在溫度變化的同時取得氣壓測量裝置的輸出，對這些測量結果采用最小二乘曲線方法擬合后，取得曲線的特征值，并將這些參數(shù)編入程序中，對因溫度引起的測量誤差進行修正。在測量裝置經過常溫測量誤差和溫度變化測量誤差修正后，通過信號電纜向氣壓數(shù)據(jù)采集器輸出準確的大氣壓力測量值。本實用新型涉及的智能大氣壓力測量裝置具有體積小、精度高、輸出數(shù)字化、用戶可自校準、可總線組網和智能化的特點，可滿足地面氣象觀測系統(tǒng)和艦船對于無人值守氣壓連續(xù)觀測的需求。

圖I為本實用新型涉及的智能大氣壓力測量裝置結構示意圖；圖2為本實用新型涉及的傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集電路板電路框圖；圖3為本實用新型涉及的智能大氣壓力測量裝置總線組網設置示意圖。附圖中標記說明I、傳感器模塊2、雙排插針3、有源晶體振蕩器4、數(shù)據(jù)采集電路板5、安裝底板6、接線端子7、氣動快速接頭 8、引壓導管9、氣壓敏感元件 10、殼體
具體實施方式
結合附圖對本實用新型的技術方案進一步說明。圖I顯示本實用新型的基本結構，圖2顯示本實用新型的傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集電路板的電路結構，圖3顯示本實用新型總線組網設置狀況。如圖所示，本實用新型涉及的智能大氣壓力測量裝置包括殼體10、安裝底板5、傳感器模塊I、數(shù)據(jù)采集電路板4、引壓導管8。殼體10為框形結構，由鑄招合金模壓而成,外形尺寸為63X57. 5X35mm。殼體與盒蓋10由Φ4πιπι螺絲與殼體四角的內螺紋旋接固定。安裝底板5兩端呈圓弧形，使用Φ4πιπι不銹鋼螺栓通過殼體10的內螺紋與殼體10相固定。殼體10及其盒蓋和安裝底板5表面均采用噴漆保護。殼體10側面開9父21臟長方形孔，用來安裝41(21700-3. 81型5芯可插撥接線端子6。信號導線通過絕緣歐式壓線端子壓接后與接線端子6連接，導線另一側與外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或上位機相接駁。引壓導管8用于進行裝置壓力標定，一端連接傳感器模塊I的氣壓敏感元件的不銹鋼保護罩，一端連接殼體10側面的氣動快速接頭7。氣動快速接頭7穿過鑄鋁合金殼體10圓通孔后固定在外殼側面。數(shù)據(jù)采集電路板4設置在殼體10內并采用Φ 3mm螺絲固定在底部，包括微控制器、電源單元、數(shù)據(jù)接口單元、地址編碼單元。微控制器采用8位增強型微控制器，是采集電路的核心部分，負責智能大氣壓力測量裝置的運行和控制，采集前端氣壓敏感元件的輸出結果，完成數(shù)據(jù)轉換和工程量的計算，實現(xiàn)測量結果的線性補償和異常結果的處理，組織采集數(shù)據(jù)的輸出和響應上位機發(fā)來的命令等主要工作。電源單元采用二級電源管理方案負責對輸入的電源進行變換，第一級采用5V輸出的開關電源芯片，其5V輸出連接第二級線性LDO芯片的輸入，再由LDO芯片變換成+3V電壓，輸出連接至微控制器、傳感器模塊I、數(shù)據(jù)接口單元的電源輸入引腳。數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)接口單元主要組成是芯片MAX3485，它負責完成輸出數(shù)據(jù)電平轉換功能，即由微控制器的UART輸出的串行TTL電平轉換成差分RS-485電平。MAX3485的輸入連接至微控制器的UARTO，即微控制器的第29和第30腳，輸出連接接線端子6。氣壓敏感元件9與微控制器的接口采用數(shù)字化SPI接口。氣壓敏感元件9在數(shù)據(jù)采集板4上的微控制器的控制下，通過SPI總線將數(shù)字化的大氣壓力原始測量值傳輸給微控制器，微控制器對測量值進行處理、傳輸和變換，實現(xiàn)了對大氣壓力的數(shù)字化自動測量。數(shù)據(jù)采集電路板4固定在鑄鋁合金外殼10內部；氣壓敏感元件9和32. 768KHz有源晶體·振蕩器3直接焊接在電路板上，其它輔助元件共同構成傳感器模塊1，氣壓敏感元件9采用MEMS型智能集成氣壓敏感元件，內含溫度傳感器，可以對測量結果進行溫度補償修正。有源晶體振蕩器3的第3腳輸出連接至氣壓敏感元件9的時鐘輸入第5腳MCLK，提供傳感器模塊的電源和微控制器信號連接通路。5芯雙排插針2的1-2腳分別是電源+3V和GND，與電源單元3V輸出相連接，3-5腳是信號引腳，提供氣壓敏感元件與微控制器的SPI接口信號SCLK、D0UT和DIN的連接通路。AKZ1700-3. 81型5芯接線端子6右上側設計氣動快速接頭7安裝孔，氣動快速接頭7穿過該通孔后固定在鑄鋁合金外殼10內側面。引壓導管8的作用是為該氣壓測量裝置提供標定時的壓力傳導通路，當外部測試導管不連接氣動快速接頭時各自閥門閉合，阻斷氣體流動；當外部測試導管接入快速接頭時，各自閥門打開，氣體可以自由流通。引壓導管8在安裝時需在兩端內壁涂裝氣體密封膠后，一端連接氣壓敏感元件9的不銹鋼保護罩，一端連接氣動快速接頭7。地址編碼單元用于設置傳感器自身的地址編碼，采用6位撥碼開關來實現(xiàn)，地址編碼單元為64個，即可用的地址范圍是0-63。編碼單元采用撥碼開關通過上拉電阻連接至微控制器的6個I/O 口 Pl. 0-P1. 5。測量裝置在工作時接收到氣壓數(shù)據(jù)采集器發(fā)來的包含測量裝置地址的查詢指令，將命令地址與自身地址編碼單元的地址相比較，相一致后將氣壓值測量結果傳送給氣壓數(shù)據(jù)采集器。實際應用時，可在多個地點安裝智能大氣壓力測量裝置。如圖3所示，各個智能壓力測量裝置掛接在RS-485總線上。氣壓數(shù)據(jù)采集器通過RS-485總線分時采集各個智能壓力測量裝置所在地點的大氣壓力值。
權利要求1.一種智能大氣壓力測量裝置，其特征在于包括殼體、安裝底板、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板、引壓導管、氣動快速接頭；安裝底板固定在殼體底部，傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板和引壓導管設置在殼體內；數(shù)據(jù)采集電路板固定殼體內部；傳感器模塊通過雙排插針焊接在數(shù)據(jù)采集電路板上；殼體的側面開孔安裝接線端子；數(shù)據(jù)采集電路板包括微控制器、電源單元、數(shù)據(jù)接口單元、地址編碼單元；傳感器模塊包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器，它們直接焊接在傳感器模塊上，氣壓敏感元件采用智能集成氣壓敏感元件MS5534C，與微控制器的接口方式是SPI數(shù)字接口 ；引壓導管一端連接氣壓敏感元件，另一端連接設置在殼體側面的氣動快速接頭；電源單元輸出連接至微控制器、傳感器模塊、數(shù)據(jù)接口單元的電源輸入引腳；微控制器采用8位增強型微控制器；數(shù)據(jù)接口單元輸入端連接微控制器；地址編碼單元連接微控制器的I/O 口。
2.根據(jù)權利要求I所述的智能大氣壓力測量裝置，其特征在于氣動快速接頭穿過鑄鋁合金外殼圓通孔后固定在殼體側面；引壓導管一端連接傳感器模塊的氣壓敏感元件的不銹鋼保護罩，一端連接殼體側面的氣動快速接頭。
3.根據(jù)權利要求I所述的智能大氣壓力測量裝置，其特征在于，傳感器模塊所需的時鐘由32. 768kHz有源晶體振蕩器來提供，其第3腳輸出連接至氣壓敏感元件的主時鐘輸入第5腳MCLK。
4.根據(jù)權利要求I所述的智能大氣壓力測量裝置，其特征在于，所述殼體的側面開孔安裝接線端子，接線端子為AKZ1700-3. 81型5芯可插撥的接線端子，信號導線一端通過絕緣歐式壓線端子壓接后與該接線端子旋接，另一端與外部氣壓數(shù)據(jù)采集器相接駁。
專利摘要本實用新型公開了一種智能大氣壓力測量裝置，包括殼體、安裝底板、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板、引壓導管、氣動快速接頭。安裝底板固定在殼體底部，傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集電路板和引壓導管設置在殼體內，數(shù)據(jù)采集電路板固定殼體內部，傳感器模塊通過雙排插針焊接在數(shù)據(jù)采集電路板上。傳感器模塊包括氣壓敏感元件和有源晶體振蕩器，氣壓敏感元件采用智能集成氣壓敏感元件MS5534C，可準確測量500-1100hPa范圍內的氣壓，與微控制器的接口方式是SPI數(shù)字接口。微控制器采用8位增強型微控制器，數(shù)據(jù)接口單元輸入端連接微控制器。該測量裝置具有體積小、響應速度快、測量精度高、數(shù)字補償?shù)忍攸c，可廣泛用于海洋環(huán)境監(jiān)測站、地面氣象觀測站和船舶氣象站等場合測量大氣壓力。
文檔編號G01L9/00GK202710233SQ201220401418
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權日2012年8月13日
發(fā)明者門雅彬, 成方林, 劉佳佳, 徐麗萍, 張齊 申請人:國家海洋技術中心