周 靜， 彭琰舉 ， 常 鵬， 張會(huì)先， 張 菅

（1.西安石油大學(xué) 井下測(cè)控研究所，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065）

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中，隨鉆測(cè)量的信息主要靠泥漿脈沖傳遞[1]，因此，壓力信息的采集就則顯得極為重要。壓力傳感器在使用一段時(shí)間后，因?yàn)楦鞣N原因造成誤差偏大，并且需要校準(zhǔn)。壓力傳感器一般采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，以提高輸出靈敏度。但一個(gè)微應(yīng)變電橋輸出只有2 mV左右，即使在滿載情況下，應(yīng)變片的最大輸出也只20 mV左右[2]，這就要求前置測(cè)量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲和低漂移等特點(diǎn)，而一般的運(yùn)放和A/D不具備上述特點(diǎn)，使用內(nèi)置PGA的4.8 kHz、超低噪聲、24位Σ-Δ型的A/D，AD7190則可以較好的解決上述問題。另外傳統(tǒng)的壓力傳感器的標(biāo)定都是使用手搖式活塞壓力臺(tái)，效率低下，人為誤差較大，且比較危險(xiǎn)。本系統(tǒng)通過軟件控制自動(dòng)加壓臺(tái)，在不同梯度下對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，提高了標(biāo)定效率和精度，且較為安全。

1 整體方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、及上位機(jī)軟件處理等模塊組成。其中A/D采集模塊，使用內(nèi)置PGA的4.8 kHz、超低噪聲、24位Σ-Δ型的高精度A/D；通訊接口采用通用的RS232串行接口；無線傳輸模塊采用了頻率為2.4 GHZ的ZIGBEE通訊模塊，具有較高的數(shù)據(jù)通訊速率，ZIGBEE具有自組網(wǎng)的能力，對(duì)多組網(wǎng)及后續(xù)設(shè)備的升級(jí)有很好的擴(kuò)展性；控制芯片采用了C8051F060，其豐富的硬件資源，使得系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化；接口模塊采用了PL2303芯片將RS232轉(zhuǎn)換成USB總線，方便與計(jì)算機(jī)連接；數(shù)據(jù)處理模塊采用了常用的個(gè)人PC機(jī)，相對(duì)一般的MCU在處理數(shù)據(jù)的速度和能力上均有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖1 壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)Fig.1 Pressure sensor calibration system

2 系統(tǒng)原理

最小二乘法是一種在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中獲得廣發(fā)應(yīng)用的數(shù)學(xué)處理方法，可以用來擬合經(jīng)驗(yàn)公式以及回歸等數(shù)據(jù)處理問題[3]。其原理如下。

設(shè)有t個(gè)未知量，則可得如下函數(shù)關(guān)系式，式（1）：

測(cè)量數(shù)據(jù) l1，l2…，ln的殘余誤差為：

測(cè)量結(jié)果的最可信賴值應(yīng)該在殘余誤差平方和最小的條件下求出，如公式（3）所示：

采用偏微分求極值的方法，對(duì)殘余誤差的平方和求偏導(dǎo)，同時(shí)讓它等于0。將求導(dǎo)后的公式進(jìn)行整理得到式（4）。

以上就是最小二乘法的正規(guī)方程，也是最終用來計(jì)算的方程。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1）電源電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，ADP3303屬于ADP330x系列精密低壓差anyCAP?穩(wěn)壓器[4]，采用新穎的架構(gòu)、改良的工藝和新封裝，與傳統(tǒng)LDO相比性能更出色。它采用專利設(shè)計(jì)，僅需一個(gè)0.47 μF輸出電容便可保持穩(wěn)定。ADP3303在室溫條件下可達(dá)到±0.8%的出色精度，溫度、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)的整體精度為±1.4%。200 mA時(shí)，其壓差僅180 mV（典型值）。

圖2 電源電路圖Fig.2 Power supply circuit

ADP3303具有較寬的輸入電壓范圍（3.2～12 V），并提供200 mA以上的負(fù)載電流。該器件具有一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志，當(dāng)該器件即將產(chǎn)生失調(diào)時(shí)，或者短路、熱過載保護(hù)激活時(shí)，該錯(cuò)誤標(biāo)志會(huì)顯示相關(guān)信息。其它特性包括關(guān)斷和可選降噪功能。

2）AD采集電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

壓力傳感器廣泛的采用壓阻式設(shè)計(jì)，壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體的電阻率隨應(yīng)力變化的性質(zhì)制成的半導(dǎo)體器件，它在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝擴(kuò)散電阻，并將擴(kuò)散電阻直接作為敏感元件。硅壓阻式壓力傳感器的核心部分是一圓形硅膜片，集成在硅片上的4個(gè)等值電阻連成平衡電橋，當(dāng)被測(cè)壓力作用于硅片上時(shí)，電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出。外界壓力通過外殼的直接加到傳感硅片上，引起傳感硅片上惠斯通電橋的4個(gè)電阻阻值發(fā)生變化。

為了獲得精確的壓力值就必須給AD和傳感器提供高精度的電壓參考源，ADR421為超精密、第二代外加離子注入場(chǎng)效應(yīng)管（XFET）基準(zhǔn)電壓源，具有低噪聲、高精度和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定特性，采用SOIC和MSOP封裝。利用溫度漂移曲率校正專利技術(shù)和XFET技術(shù)，可以使電壓隨溫度變化的非線性度降至最小。XFET架構(gòu)能夠?yàn)閹痘鶞?zhǔn)電壓源提供出色的精度和熱滯性能。與嵌入式齊納二極管基準(zhǔn)電壓源相比，還能以更低的功耗和更小的電源裕量工作。ADR421具有出色的噪聲性能、穩(wěn)定性和精度，非常適合高精密數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換等應(yīng)用。在本系統(tǒng)中為壓力傳感器供電，激勵(lì)傳感器將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

如圖3所示，AD7190提供集成式壓力傳感器解決方案，具有壓力傳感器接口，可以直接連接壓力傳感器，其中AIN+、AIN-是壓力傳感器的輸出端，REF-、REF+為傳感器激勵(lì)電壓。為了提高系統(tǒng)精度需在模擬輸入端采用一些濾波器，本系統(tǒng)使用的是低通濾波器。在基準(zhǔn)電壓引腳上配置一些電容等外部元件，以滿足電磁屏蔽（EMC）要求[5]。AD7190的DIN、DOUT/RDY、SCLK、/CS、/SYNC 分別于 C8051F060的 P3.0-3.4連接。

圖3 AD采集電路Fig.3 Acquisition circuit

來自壓力傳感器的低電平信號(hào)由AD7190的內(nèi)置PGA放大。該P(yáng)GA經(jīng)過編程，以128的增益工作。AD7190的轉(zhuǎn)換結(jié)果送至微控制器C8051F060，并通過ZIGBEE模塊傳輸至上位機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理。AD7190具有單獨(dú)的模擬電源引腳和數(shù)字電源引腳。模擬部分必須采用5 V電源供電。數(shù)字電源獨(dú)立于模擬電源，可以為2.7～5.25 V范圍內(nèi)的任意電壓。微控制器采用3.3 V電源。因此，DVDD也采用3.3 V電源供電。這樣就無需外部電平轉(zhuǎn)換，從而可以簡(jiǎn)化ADC與微控制器之間的接口。

3）數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

XBee? &XBee-PRO?802.15.4 OEM無線射頻模塊[6]，具有很強(qiáng)的協(xié)議兼容性，可以很好的匹配ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，無須額外射頻通訊配置。只需將MCU的UART端口與相對(duì)應(yīng)的ZIGBEE模塊的RTS、CTS、GND對(duì)應(yīng)連接即可，可以使用標(biāo)準(zhǔn)AT指令配置工作方式，默認(rèn)波特率為9 600 bps。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和軟硬件模塊劃分，本系統(tǒng)的軟件主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制加壓程序數(shù)據(jù)處理、最終給出標(biāo)定報(bào)表等相關(guān)參數(shù)。其中數(shù)據(jù)采集，溫度采集，及數(shù)據(jù)傳輸部分由下位機(jī)完成。信息的顯示及處理有上位PC進(jìn)行處理。MCU運(yùn)行后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，其中初始化包含，晶振初始化，端口初始化，通訊初始化等；然后啟動(dòng)溫度采集及數(shù)據(jù)采集，待到數(shù)據(jù)達(dá)到傳輸要求時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在上位機(jī)得到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果時(shí)開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組處理，最后使用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合，最終得出軟件設(shè)計(jì)流程；上位機(jī)軟件流程圖如圖4所示，下位機(jī)軟件如圖5所示。

圖4 上位機(jī)軟件Fig.4 Host computer software

圖5 下位機(jī)軟件Fig.5 Lower computer software

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1）P=f（T，V），在室溫下可以忽略 T 的影響，即 P=kv+b，其中K為標(biāo)定系數(shù)，b為起始基準(zhǔn)；

2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理擬合公式：

由3組正反行程測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖如圖6所示，每一臺(tái)階都是對(duì)同一個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行多次采樣獲得，臺(tái)階的“橫線”為測(cè)試值的平均值，求取平均值可以去除一定的干擾且可以接近真實(shí)值。鑒于測(cè)試數(shù)據(jù)量較大，此處以圖表的形式直觀而形象的表征壓力傳感器標(biāo)定的方法及過程。從圖6中可以看出，量化臺(tái)階并非是直線，這就說明在傳輸?shù)倪^程中有高頻信號(hào)的干擾，可以使用數(shù)字濾波的方法是測(cè)試的值較為準(zhǔn)確的接近真實(shí)值。

圖6 壓力傳感器臺(tái)階試壓曲線Fig.6 Pressure sensor steps pressure curve

如圖6所示，橫軸為采樣點(diǎn)數(shù)，即相對(duì)時(shí)間，縱軸為壓力量化臺(tái)階值（壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成的數(shù)字量）。每一個(gè)臺(tái)階都包含相同壓力下采樣的大量數(shù)據(jù)。壓力傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)從低壓加開開始加壓至高壓，然后逐步按照等間隔時(shí)間泄壓，反復(fù)行程3次，通過滑動(dòng)平均值求出其穩(wěn)定值。最終進(jìn)行最小二乘法數(shù)據(jù)擬合。得出相關(guān)壓力參數(shù)。使用時(shí)用式（1）～（5）變換即可得出實(shí)際壓力值。

6 結(jié) 論

該壓力標(biāo)定系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，具有穩(wěn)定、高效、可靠等特點(diǎn)，通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以滿足工程測(cè)量及標(biāo)定要求。同時(shí)為后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展提供了理論和硬件基礎(chǔ)。

[1]丁永浩，李舟波，馬宏宇.隨鉆測(cè)井技術(shù)的發(fā)展[J].世界地質(zhì)，2004（3）：270-274.DING Yong-hao，LI Zhou-bo，MA Hong-yu.Development of logging while drilling technology [J].World Geologry，2004（3）：270-274.

[2]周靜，田文鶴.一種壓力傳感器信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（7）：116-117.ZHOU Jing，TIAN Wen-he.Design and implementation of a pressure sensor signal conditioning module[J].Electric Age，2010（7）：116-117.

[3]向軍文.最小二乘法在定向鉆進(jìn)中的數(shù)據(jù)擬合[J].石油鉆采工藝，2010（6）：17-19.XIANG Jun-wen.Data fitting with least square in directional drilling[J].Oil Drilling&Production Technology，2010（6）：17-19.

[4]Analog Devices， Inc.ADP3303 Datasheet[EB/OL].（2011）.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP 3303.pdf.

[5]馬永健.EMC設(shè)計(jì)工程實(shí)務(wù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[6]Digi：XBee?.Multipoint RF Modules Datasheet[EB/OL].http://www.digi.com.