1、壓力變送器概述
由于傳感器的輸出信號多種多樣，為了在實際應用中增強傳感器的通用性以及簡化信號的傳輸和記錄，通常需要電路將輸出信號轉換為標準信號。壓力變送器是一種將流體的壓力傳感器測量信號轉化為標準信號的裝置。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型。絕壓變送器用于大氣壓不能對測量過程產生影響的場合，比如真空精餾塔。表壓變送器使用大氣壓代替絕對真空，使用范圍更廣泛。差壓變送器則用于測量壓力差。
1.1 壓力變送器主體結構
目前主流的壓力變送器主要由傳感器、測量膜盒和接口與處理電路三大部分組成。壓力傳感器與測溫傳感器共同密封在測量膜盒頂部，由兩塊密封法蘭夾住以組成變送器的測量部分，從而把現場測量的壓力信號轉化為電信號。電子線路板和液晶顯示表頭及接線端子構成接口與處理電路，負責放大傳感器輸出的電信號、模數轉化、實時顯示數據以及輸出標準信號。
1.2 壓力變送器分類
利用不同測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介質傳遞到內部金屬電容極板。極板產生對應的形變，導致電容量發生變化。這種變化通過電路處理就能得到壓力信號。電容式壓力變送器的典型產品為美國艾默生公司生產的羅斯蒙特1151系列。該系列產品在20世紀80年代引進中國以后，經過中國儀表制造商多年的研究和探索，將其準確度等級從0.5級提高到了0.1級。但是羅斯蒙特隨后推出了3051C/S系列產品，實現了結構隔離、懸浮、電路可靠性提升等改進，使準確度等級達到了0.05級。這種技術壁壘一直不能被中國本土企業所突破。
②諧振式壓力變送器
諧振式壓力變送器的原理是：擴散硅薄膜在一定壓差作用下產生形變，引起內部的諧振梁頻率變化；流體壓差傳遞到內部的單晶硅諧振梁上；諧振梁在壓力的作用下產生與之對應的頻率信號；頻率信號通過電路處理就得到并輸出壓力信號。日本橫河電機株式會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。其主要產品型號有EJA和EJX系列。該系列變送器的主要優勢體現在溫度和靜壓補償環節。其準確度能達到0.065級。這種單晶硅諧振式芯片的批量制造技術一直被國外企業所壟斷。
③單晶硅壓力變送器
單晶硅式壓力變送器的主體結構是一個惠斯通電橋。外界壓差通過介質傳遞到內部電橋。由于材料的壓阻效應，電橋產生一個隨壓力變化的阻值。通過電路檢測電橋的輸出即可得到壓力信號。單晶硅壓力變送器的主要代表企業有霍尼韋爾、西門子、ABB等。單晶硅壓力變送器具有輸出靈敏性高、信號量大、回差極小和電路設計較為簡潔可靠等特點。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還一直由美國、德國、瑞士等國家所掌握。隨著國內廠商上海洛丁森工業自動化設備有限公司、云南昌暉儀表制造有限公司與瑞士ROCKSENSOR公司的技術合作、引進和再研發，國內逐步掌握了0.05級準確度的高精度壓力變送器的制造技術。
2、壓力變送器研究和應用現狀
隨著自動化水平的不斷提高，以及計算機技術、材料技術和微機電系統(micro- electro- mechanical system， MEMS)技術的快速進步，工業自動化領域廣泛應用的智能儀器在近年來也得到快速發展。
有關壓力變送器的研究主要集中在以下幾個方面：
①壓力變送器通信方式。
②高溫極端環境中的壓力傳感器。
③具有自診斷功能的壓力變送器。
④壓力變送器溫度補償方法。
⑤壓力變送器其他方面的研究進展。
本節從以上五個研究方向，分別敘述和分析近五年來相關的文獻研究。
2.1 壓力變送器通信方式
過去的壓力變送器僅支持工業過程控制領域常用的4-20mA模擬標準信號。隨著信息化、數字化技術的不斷發展，越來越多支持數字信號傳輸的現場總線協議的智能壓力變送器得以研發、制造。HART智能壓力變送器基于可尋址遠程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer， HART)的開放通信協議，設計了一款兩線制的壓力變送器。該壓力變送器只需兩根導線，不僅可以傳輸數字和模擬信號，還可以給設備供電。與其他僅支持數字信號的協議相比，該壓力變送器的顯著特點是在傳輸數字信號的同時保留了4-20mA模擬電流信號，因而在數字化儀表逐步替代傳統模擬儀表的過渡時期發揮了重要作用。但是HART協議是半數字通信方式，僅支持單向傳輸，且信道為一對一。隨著技術的發展，HART協議逐漸不能滿足現場儀表與控制系統間的信息交換需求。
在數字化、智能化的工業4.0時代，工業生產領域的數字化具有重要意義。在傳統壓力變送器的基礎上，基于控制器局域網(controller area network， CAN)總線的方式對變送器進行數字化改造，設計并實現了一種可嵌入安裝在壓力變送器內部的小體積、高精度、數字式的壓力測量模塊，從而顯著提高了現場設備與控制系統信息交換的效率和可靠性。設計了一款測量水網管線壓力的變送器。該變送器輸出電流信號經過遠程終端單元(remote terminal unit， RTU)匯聚后，使用工業以太網傳輸到控制室以集中顯示參數。該變送器準確度達到0.14%，并且全部采用國產化元器件，具有自主可控、使用簡單、可靠性好等優點。
無線通信在過去的幾年中受到了廣泛的關注。工業無線通信技術具有低成本、高效率、高可靠、鋪設便捷等優勢，在工業現場得到了廣泛的應用。特別是對于易燃易爆危險環境的信號傳輸，如油氣、化工、罐區等場景，無線傳輸是一種經濟、有效的通信手段。設計了一種基于電容式傳感器的無線壓力測量系統。該系統首先通過電容式傳感器和信號調理電路將施加的壓力轉換成相應的電壓信號，然后利用頻移鍵控(frequency shift keying， FSK)收發器實現信號的無線發送和接收。該系統滿量程誤差控制在1.6%以內，適用于無線通信在過去的幾年中受到了廣泛的關注。工業無線通信技術具有低成本、高效率、高可靠、鋪設便捷等優勢，在工業現場得到了廣泛的應用。特別是對于易燃易爆危險環境的信號傳輸，如油氣、化工、罐區等場景，無線傳輸是一種經濟、有效的通信手段。設計了一種基于電容式傳感器的無線壓力測量系統。該系統首先通過電容式傳感器和信號調理電路將施加的壓力轉換成相應的電壓信號，然后利用頻移鍵控(frequency shift keying， FSK)收發器實現信號的無線發送和接收。該系統滿量程誤差控制在1.6%以內，適用于危險性高的易燃易爆區域和一些線纜安裝維護比較困難的區域。此外，FSK還具有很強的安全性、高效性和抗噪能力。設計了一款基于MEMS技術的電容式壓力變送器。該變送器通過人工神經網絡算法補償非線性誤差。該變送器選用鈮酸鋰(LiNbO3)作為遠距離光通信材料。由于光的特性，這種傳輸方法幾乎是無損的，并且具有可靠性高、維護簡單、危險性低的特點。
隨著工業數字化的發展，對智能化傳感器的要求越來越高。提出了一種具有實時故障診斷功能的無線智能壓力變送器。該變送器實時監測壓力傳感器的模擬輸出并運行自診斷程序，從而通過無線傳輸方式將產生的壓力數據和診斷信息傳送至接收系統。針對工業過程存在電磁干擾、空間復雜等特點，設計了一款滿足工業現場的無線高精度壓力變送器，實現了面向工業過程自動化的工業無線網絡(wireless network for industrial automation- process atuomation， WIA- PA)標準和單晶硅壓力測量技術的結合。該無線高精度壓力變送器能有效提高工業現場壓力測量的信息化、數字化管理水平，具有廣闊的應用前景。
2.2 高溫極端環境中的壓力傳感器
一些苛刻的工業環境對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重要課題。當前，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、高性價比等優點，但也存在高溫下穩定性差和自熱等問題。碳化硅(SiC)作為新型耐高溫材料，具有導熱系數高、耐酸堿腐蝕等優點。因此，設計了一種基于4H- SiC制成的壓阻式壓力傳感器。該壓力傳感器能在-50～+300 ℃范圍內穩定輸出測量結果，并且能在有酸性腐蝕和輻射的環境中穩定工作。隨著石墨烯技術的不斷發展，采用MEMS技術，設計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異，靈敏度遠高于以往的高溫MEMS壓力傳感器。此外在一些極端環境，如高溫液態金屬環境，該傳感器的測量溫度范圍可以從室溫覆蓋到接近600 ℃的高溫。而傳統產品在此環境下的壓力測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)傳感器的壓力測量系統。該系統克服了熱膨脹問題的影響。試驗結果證明，該系統在高溫液態金屬等極端環境中進行壓力測量具有有效性。以高溫熔鹽壓力變送器為研究對象進行了故障模式和影響分析。其尋找儀表可靠性的薄弱環節和關鍵影響因素，對儀表的耐腐蝕性的評價有一定參考性。
2.3 具有自診斷功能的壓力變送器
隨著現代工業不斷邁向數字化和自動化，對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，能夠評估數據質量，并對檢測到的故障進行糾正。為了滿足安全儀表系統的設計選型和系統構成，設計研發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計，可診斷出差壓變送器的故障，具有一定的自診斷功能。通過和變送器制造商合作，確定了變送器的一個重要故障模式-介質流體泄漏，并通過診斷程序對其進行了實時監測。提出了符合功能安全的智能壓力變送器，包括系統結構、部件的完整性測試和自診斷方案的設計。符合功能安全的智能壓力變送器會實時檢測當前的運行狀態是否存在系統故障、是否存在模塊功能失效，并實時將異常狀態通過故障報警上報給安全控制系統。控制系統或者監控人員據此及時作出安全響應，以實現功能安全。
2.4 壓力變送器溫度補償方法
壓力變送器的高精度標準化輸出一直是變送器研究的熱點方向。對于批量生產的壓力變送器，需要對其內部結構參數進行標定以實現標準線性化輸出，從而滿足工業現場的測量精度要求和通信標準。無論是基于哪種原理制作的壓力傳感器，外界環境都會對材料的特性產生影響，導致其出現較大誤差。因此，變送器在出廠前都需要進行溫度補償校準。目前，國內外學者對壓力變送器溫度補償的方法進行了廣泛探索和研究。研究主要分為硬件補償和軟件補償兩個方向。
硬件補償主要通過改進測量電路與設計工藝或者優化芯片設計等方法進行矯正。采用無源電阻網絡溫度補償模型對壓力傳感器的低溫區域進行溫度補償，得到的補償精度為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0.0063%。硬件補償方法通常是針對某種傳感器進行特定的硬件設計或優化。由于硬件補償調試較復雜、通用性較差，工程應用中更傾向于使用軟件補償的方法。
軟件補償具備易實現、適用范圍廣、維護簡單等優點，主要分為插值法、多項式擬合、支持向量機(support vector machine， SVM)和神經網絡法等。變送器各類軟件溫度補償算法的性能比較表1所示。
表1 壓力變送器各類軟件溫度補償算法的性能比較
①插值法
插值法的步驟為：首先，根據標定點，在工作溫度范圍內等間隔劃分若干個溫度區間；然后，分別在每個溫度下記錄壓力傳感器的輸出曲線，通過擬合直線變換函數確定曲線的系數；最后，將不同溫度下的輸出曲線參數通過參數矩陣存儲起來。實際工作時，插值法先根據實際溫度選擇對應溫度區間下的參數，再計算最終的壓力值。提出了一種基于變換函數系數的線性插值法，以對壓力傳感器進行溫度補償。研究了以擴散硅作為壓力變送器的測壓變送器，并采用線性插值的溫度修正方法。該方法可實現壓力測量準確度優于0.05%、電流輸出準確率優于0.02%。該方法操作簡單、計算速度快，無需在上位機編寫專用的軟件，可直接在設備內完成，目前已廣泛應用于壓力變送器生產。但是補償精度與選擇溫度點的個數相關，且需消耗存儲資源以保存參數矩陣。
②多項式擬合
多項式擬合的流程為：首先，在工作溫度范圍內，等間隔選取溫度點，并分別在每個溫度下采樣各壓力值下的輸出值，以采樣的數據作為多項式擬合的樣本數據；然后，根據曲面擬合方法求出測量值、溫度與輸出壓力之間的函數關系，以最小二乘法計算回歸方程的系數。當多項式函數確定以后，只需將測量到的數據代入多項式函數中，即可求出被測壓力。設計了最小二乘法和拋物線插值融合的補償方法，顯著地改善了傳感器的測量精度。針對硅壓阻式壓力傳感器存在的溫度漂移等非線性問題，提出了一種基于最小二乘法的曲面擬合高精度溫補算法，使得補償過后的輸出誤差小于0.01%。采用最小二乘法曲面擬合原理對壓阻式壓力傳感器進行數字補償。該方法實現簡單、靈活性好，但由于溫補使用的樣本量小，少量的噪聲就會對最終的擬合結果造成過大的影響。此外，為了實現高精度補償，需計算多項式的高次項系數。這會消耗大量的計算資源。
③SVM
SVM是一種建立在統計學理論基礎上的有監督學習算法。SVM具有很強的魯棒性，對小樣本的非線性數據回歸效果很好，能夠貼合傳感器受溫度影響的特點，是解決變送器溫度補償的有效方法之一。但在實際使用中，SVM存在核函數和懲罰參數選擇困難的問題。所以使用差分進化算法在給定范圍內對SVM的參數進行全局尋優。通過試驗證明，此方法明顯降低了變送器的測量誤差，對于訓練集中沒有出現過的樣本，模型仍然能夠較好地進行溫度補償。
④神經網絡
神經網絡通過獲取數據樣本而非整個數據集的方式提供解決方案，具有強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償。
1)在變送器溫度補償中，反向傳播(back propagation， BP)神經網絡得到了廣泛應用。但是BP神經網絡存在難以收斂、易陷入局部最優解、穩定性差等問題。針對這些難題，主要改進算法大致分為兩類：啟發式算法，如遺傳算法和粒子群算法；數值優化算法，如共軛梯度法和牛頓法。提出了一種改進的遺傳算法優化BP神經網絡的初始權重和閾值。該算法引入Tent混沌映射函數、自適應遺傳算子和染色體擾動，顯著地提高了遺傳算法的尋優能力。對于數值優化方法，提出了一種改進的高斯牛頓法。該方法用于對BP神經網絡進行訓練。試驗結果表明，該方法的靈敏度系數達到了9.31×10-7。使用粒子群算法和Levenberg- Marquardt(LM)算法優化BP神經網絡。該方法結合了三種算法的優點，有效抑制了溫度對傳感器的影響。
2)除了BP神經網絡，結構簡單、收斂速度快的徑向基(radial basis function， RBF)神經網絡也廣泛應用于傳感器溫度補償中。RBF神經網絡利用自組織聚類網絡，選取網絡中心值，解決了以往算法隨機選擇中心引起的收斂不穩定和計算復雜的問題，提高了模型的泛化能力。為了避免根據經驗選取的RBF參數導致的數據不匹配問題，使用果蠅優化算法(fruitfly optimization algorithm， FOA)對RBF神經網絡的超參數進行尋優，有效地削弱了溫度對傳感器性能的影響。
3)此外，小波神經網絡(wavelet neural network， WNN)在溫度補償上的應用也較為普遍。WNN避免了BP神經網絡結構設計上的不確定性，具有學習能力更強、結構更簡單、收斂速度更快的特點。利用WNN的特性，提出了基于粒子群優化(particle swarm optimization， PSO)算法的WNN溫度補償方法。該方法將全溫區的準確度提高至0.14%，使得溫度漂移得到明顯改善。
4)深度置信網絡(deep belief network， DBN)作為深度學習中的一種重要的網絡結構，在連續堆疊的多層結構中進行分層表征和更深層次的理解與學習，在實際應用中取得了顯著性進展。將優化的DBN模型應用在壓力傳感器的溫度補償中。試驗結果表明，該模型具有較好的穩定性。但是該模型使用區間定位搜索的方式搜索DBN的超參數，既耗費運算資源又容易陷入局部最小值。因此，提出了基于自適應DBN的高精度壓力變送器溫度補償方法。該方法引入白鯨優化(beluga whale optimization， BWO)算法對DBN的超參數進行尋優。該方法利用BWO算法在全局搜索和局部尋優之間強大的平衡能力，可有效提高網絡模型預測的準確性與穩定性；同時，引入模擬退火Metropolis準則，可進一步提高算法尋找最優解的能力，從而大幅提升變送器的測量精度。
傳統的溫度補償方法無論是硬件補償還是軟件補償，都需要額外的部件測量壓力變送器內部的溫度。這需要一個獨立的信號以計算壓力變送器的溫度補償。基于半導體制成的壓阻式傳感器的固有特性是對溫度比較敏感，所以提出了一種僅使用單晶硅壓阻式傳感器同時完成壓力和溫度測量的方法。試驗結果表明，該方法測量精度能達到0.03%滿量程(full scale， FS)。該方法的優點是能夠在不修改硬件的情況下將溫度測量功能添加到現有的單晶硅壓阻式變送器中。也提出了一種不需要額外測溫器件的壓阻式傳感器溫度補償方法。試驗結果表明，當惠斯通電橋由恒流源供電時，輸出電壓可以反映環境溫度的變化。此方法可顯著降低溫度對變送器測量精度的影響。
2.5 壓力變送器其他方面的研究進展
目前，壓力變送器的常規檢定只是在其低壓端通大氣，但實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，差壓變送器的測量性能可能受到顯著影響。忽略靜壓影響可能造成檢定結果的偏差和誤判。因此，靜壓下的差壓補償十分重要。設計了一款工業差壓控制設備檢測裝置，用于常壓和靜壓下差壓變送器的檢定。設計了一種差壓變送器靜壓實時補償裝置，最大限度地補償了靜壓帶來的誤差、提高了差壓的測量準確度。現有的靜壓校準只考慮了大氣壓下的校準，而高靜壓校準并不普及，且現存的高靜壓矯正裝置操作復雜，導致應用受到一定的限制。因此，設計了一種高靜壓下的壓差器件校準裝置。該裝置操作簡單、使用方便，同時避免了由于差壓器件兩端壓力過大而導致的器件損壞。
除了上述研究外，研制了一款具有統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(programmable system- on- chip， PSoC)技術開發而成。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，使系統靈活性更好，并融合了模擬和數字信號處理的能力。設計了一款使用梁式結構電阻應變片的低成本差壓變送器。設計了一種具有雙鎖結構的差壓傳感器元件，并通過建模分析了硅晶體傳感元件能夠承受的壓力上限。該傳感元件能保護測量膜在多次超過10倍的過載下不被破壞。為了打破西方對高精度壓力變送器的壟斷，設計了一款擁有自主知識產權的YR-ER100系列高穩定性壓力變送器。該壓力變送器最高準確度達到0.05級。
3、發展趨勢壓力變送器的發展
從最初的簡單功能型逐步演進為如今的智能型。從整體的趨勢看，無線化、智能化、高精度將成為壓力變送器的主要發展方向。
①無線化
隨著無線通信技術的不斷發展，無線傳輸的穩定性和速率都得到快速的提升。這使得無線化的優勢越來越顯著。在工業現場，通常存在布線困難、人員難以到達、電磁干擾強、空間復雜等特點，尤其是油氣、化工行業。采用無線化的高精度壓力變送器能夠顯著提高工業現場壓力測量的信息化、數字化管理水平，大幅降低運維成本。無線化壓力變送器將在工業領域發揮重要作用，具有廣闊的應用前景。
②智能化
傳感器不斷發展及電子技術不斷革新。傳感器通過和微處理器結合變得更加智能。變送器將具有更加豐富的功能，例如自診斷、豐富的接口協議等。這種智能化的趨勢使得變送器在相關領域的應用中更加靈活、可靠。具有自診斷功能的智能變送器實時地將故障和報警信息上傳給安全控制系統，使控制系統及時處理存在的故障和風險，提高了系統的可維護性和穩定性；豐富的接口協議能讓變送器滿足更多的應用場景，使得變送器更容易與其他設備和系統進行集成，推動了相關行業自動化和智能化的發展。
③高精度
隨著材料技術的不斷進步，更多的先進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用范圍和可靠性。同時，隨著MEMS技術的發展，壓力變送器將實現更高精度的測量。
4、結論
壓力變送器作為一種高精密的壓力測量儀器，在工業領域得到了廣泛應用。本文首先介紹了壓力變送器的主體結構和常見分類；然后從通信方式、高溫極端環境的測量、自診斷功能、溫度補償方法等方面分析了壓力變送器的研究現狀；最后對壓力變送器未來可能的發展方向作了展望-無線化、智能化和高精度將會成為壓力變送器未來的主要發展方向。緊跟國內外最新研究進展，持續推動壓力變送器的研究和應用至關重要。我國應提高傳感器核心部件的國產化能力，進而提升整體技術水平和國際競爭力。
作者： 高彬彬、顧幸生
