一種新型石油管道壓力傳感器的設計*

何 鋒，儲建華，宋小波，劉忠杰，畢世書，李 芬

(1.中國科學院合肥物質科學研究院先進制造技術研究所，江蘇常州213164;2.常州先進制造技術研究所，江蘇常州213164)

0 引言

輸油管道因腐蝕和打孔盜油造成的石油泄漏嚴重影響輸油管道安全并造成巨大的經濟損失，需要進行連續不間斷的輸油管道監測。常規安全監測主要靠人工沿管線定時巡視和讀取數據，不僅耗費大量的人力、物力和財力，而且不能保證實時有效的發現和報警，對管道的安全運行十分不利。近年來，有學者提出了一種Zig Bee和GPRS混網組成的無線傳感網絡［1］來監控管網狀態，存在費用高的特點，針對這一難題，設計出一種新型帶有無線數據傳輸功能的壓力傳感器，能連續不間斷有效監測管道內流體的正面沖擊的瞬時壓力和對管壁的作用力，利于油田計量站進行實時監控和統一調度。

針對多維力的測量，有不同學者提出了多種結構，其中有 Stewart式平臺結構［2］、一板兩桿式結構［3］、直角組合型結構［4］等。本文采用了十字梁式結構進行設計，介紹了傳感器的結構設計、彈性體設計和測量原理，以及傳感器的無線射頻傳輸和數據處理流程。最后給出了傳感器標定的方法和實驗結果。

1 傳感器設計

1.1 傳感器機械結構

傳感器由彈性體機械部分和信號處理系統兩大部分組成。彈性體機械部分如圖1所示，主要由彈性接觸裝置、彈性體梁裝置和固定裝置三部分組成。信號處理系統包括測量電路、無線傳輸電路、數據采集放大電路、應用軟件等幾部分。傳感器處理電路和彈性體集成為一個傳感器本體，使用CMOS電池進行供電，傳感器整體進行密封操作，能長期置于管道內進行測量。整個傳感器采用LY12硬鋁材料，彈性模量E為70×109N/m2，泊松比 μ為0.3，密度為2.7×103kg/m3，內外徑分別為38，54 mm，彈性接觸頭內外徑分別為38，34 mm，傳感器的壓力量程為±150 N。

1.2 傳感器彈性體設計與測量原理

如圖2所示，在彈性體的十字梁上對稱貼上箔式電阻應變計，橫軸與縱軸梁上的4個應變計電阻組成惠斯通全橋電路(見圖3)，實現輸出信號的自動解耦。應變計間使用直徑25μm的細銅線焊接。

圖1 傳感器機械結構圖Fig 1 Mechanical configuration diagram of the sensor

圖2 傳感器貼片示意圖Fig 2 Arrangement of the stain gauge

圖3 箔式應變計組成的惠斯通全橋電路Fig 3 Wheatstone bridge formed by the foil strain gauge

傳感器受到外力作用時，由于力的大小方向的不同，各個方向的應變計受到的應力也不一樣，根據應變計的電阻變化，可以得到力與應變的關系。

由于電阻變化值ΔRFn正比于傳感器的力信號，因此，橋路的輸出電壓信號隨外力改變而變化，測量輸出電壓信號就可以得到被測目標的力信號。

2 數據采集與處理系統

2.1 無線傳輸電路和采集放大電路

由于傳感器長期置于管道內，采用無線射頻模塊NRF2401［5］進行數據傳輸，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶振和調試器等功能模塊，輸出功率和通信頻道能通過程序進行配置，芯片功耗低，工作電流只有10.5 mA，接收信號時工作電流僅僅為18 mA，適用于電池供電的場合，使用該芯片對傳感器A/D轉換的數字信號進行應答式傳輸，能夠滿足傳感器信號傳輸的需求。采集放大電路使用MSP430F1232 芯片［6，7］來完成 A/D 轉換、標定計算、力值輸出、無線芯片控制等功能，具體的電路圖見圖4。

圖4 傳感器信號處理電路圖Fig 4 Signal processing circuit of the sensor

2.2 軟件設計

單片機上電工作后，在主程序中進行芯片AD引腳數據采集，得到當前傳感器的數據值，并對數據進行相應的濾波處理，當主程序監聽到上位機傳來的呼叫數據指令后，將數據傳送給上位機，上位機通過ID號來識別不同的傳感器，以達到同時監控各類不同傳感器的目的。單片機軟件工作流程圖如圖5所示。

圖5 單片機工作流程圖Fig 5 Working flow chart of the SCM

3 傳感器標定

對管道壓力傳感器標定過程中，對施加在傳感器力(F)和力矩(M)兩條梁上的載荷和敏感橋路的關系進行了測量，其測量值(AD碼值)與所加N數值的對應關系如圖6(a)，(b)所示。從圖6(a)，(b)中可以看出:傳感器加力時，所受載荷和傳感器敏感橋路之間的映射關系基本上具有較好的線性度，傳感器誤差為2.1%。通過標定可知，傳感器靈敏度、線性、重復性和滯后的指標均與設計要求一致。

4 結論

本文研究了一種用于石油管道壓力檢測的傳感器，該傳感器使用了無線信號進行傳輸，系統功耗低，安裝方便，適于多管網流體傳輸情況的集中監控，對油田計量站改進生產效率，節省成本支出，實現數字化分析有著十分重要的意義。傳感器的性能測試和標定結果分析表明:該結構傳感器具有較好的線性度和靈敏度。

圖6 x軸F/M載荷與傳感器輸出數字值關系圖Fig 6 Relation diagrams of x-axis(M/F)load and output voltages(AD value)

［1］馬小強，張春業，張波，等.基于Zig Bee和GPRS的管道監測網絡設計［J］.計算機工程，2010，36(5):128－130.

［2］Mote W L C D.Development and calibration of a sub-millimeter three-momponent force sensor［J］.Sensors and Actuators，1998，65:88－94.

［3］沈 輝，吉愛紅，顏化冰，等.一種二維力/扭矩傳感器的設計［J］.傳感器與微系統，2006，25(1):63－65.

［4］史 炎.用于摩擦系數測量的二維力傳感器［J］.內燃機車，2002(2):41－42.

［5］陳麗娟，常丹華.基于nRFID2401芯片的無線數據通信［J］.電子器件，2006，29(1):248－250.

［6］劉志平.基于MSP430和NRF2401的WSNs節點設計［J］.國外電子測量技術，2009，28(8):57－59.

［7］房澤平.基于雙MCU和nRF2401的無線傳感器網絡系統［J］.自動化儀表，2009，30(8):25－27.