低功耗传感变送器的三维耦合温漂动态抵消自校准方法与流程

本发明涉及传感器测量与校准，具体涉及一种低功耗传感变送器的三维耦合温漂动态抵消自校准方法。

背景技术：

1、地热发电或地热供暖井口需要长期监测井口蒸汽压力。由于地热流体温度常达150～180℃，常规电子器件无法直接安装在井口，因此可采用毛细管远传压力变送器。不锈钢隔离膜片安装在井口引压管上感受高温蒸汽压力，膜片后腔通过5～15m长的毛细管连接至远离高温区的电子仓，毛细管内部充满硅油，将压力传递至电子仓内的硅压阻式压力敏感芯片。电子仓安装在地面阴凉处或带遮阳保温措施的仪表箱中，采用高温锂电池加太阳能补充供电，变送器以lora/nb-iot等无线方式周期性上报压力数据。

2、在该场景下，敏感芯片处于介质温度、环境温度和电路自热三条热路径的耦合作用下。高温蒸汽经隔离膜片、硅油、毛细管向敏感芯片传热，时间常数通常为数十秒至数分钟；环境温度经电子仓外壳、pcb、封装向敏感芯片传热，时间常数为数分钟至数十分钟；电路唤醒自热经芯片基板、管脚向敏感芯片传热，时间常数为数毫秒至数十毫秒。三条路径的时间常数差异大，导致敏感芯片在动态温度下出现明显的暂态温漂。同时，由于毛细管远传结构，敏感芯片既不直接接触被测介质，也不直接暴露在环境空气中，其实际温度是三条热路径共同作用的结果，无法通过单一温度传感器准确直接测量。而安装额外高精度温度传感器会增加功耗和体积，与低功耗无线监测需求相矛盾。

3、现有的一类低功耗传感变送器采用温度传感器结合稳态温度标定模型进行数字补偿。然而，在低功耗间歇供电约束下，这种补偿方式存在着不足。首先，温度传感器与敏感芯片之间存在热阻，温度快速变化时读数滞后，无法实时反映敏感芯片真实热状态。其次，变送器唤醒瞬间电路自热以及状态切换引起的短时功耗差异，会使敏感芯片局部温度以较小时间常数重新分布，产生短时温度扰动。在低信噪比和短时采样窗口条件下，直接对多个状态输出进行最小二乘解耦，容易因方程条件数差、输出相关性较强而得到不稳定的压力和热状态估计，导致温漂补偿效果下降。除此之外，地热井口现场所用变送器mcu可采用低功耗定点处理器，不具备硬件浮点运算单元和足够ram进行矩阵求逆。通用浮点矩阵求逆或高复杂度迭代求解会增加计算资源占用和运算功耗，不适于资源受限的低功耗mcu，并可能缩短电池续航时间，因此需要采用固定维度且适于定点运算的低复杂度求解方式。而在动态热暂态和低信噪比条件下，异常解还可能引起压力输出突变，造成连续测量误差。

4、综上所述，现有技术在地热井口毛细管远传压力变送器的低功耗无线监测场景下，因敏感芯片温度无法直接准确测量，加之三条热路径时间常数差异大且动态耦合，以及多状态采样受短时热扰动和低信噪比影响，低功耗mcu难以实时稳定求解，容易导致温漂补偿效果差和压力输出跳变。因此，本领域亟需一种能够在不增加额外高精度温度传感器且满足低功耗约束的前提下，利用压阻电桥自身多状态输出实现三维耦合温漂动态抵消和压力在线自校准的低功耗传感变送器的三维耦合温漂动态抵消自校准方法。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的是提供一种低功耗传感变送器的三维耦合温漂动态抵消自校准方法，可在地热井口毛细管远传压力变送器的低功耗无线监测场景下，解决因敏感芯片温度无法直接准确测量以及介质温度、环境温度和电路自热三条热路径时间常数差异大且动态耦合导致的温漂补偿效果差问题；可解决因低功耗mcu算力受限、短时热扰动和低信噪比影响导致的压力输出跳变问题；可解决因现场人工标定困难、传统稳态温度标定和单一温度传感器补偿不足导致的动态补偿能力缺失问题，从而在不增加额外高精度温度传感器且满足低功耗约束的前提下，通过每次唤醒时基于压阻电桥自身多状态输出重新求解压力，实现三维耦合温漂动态抵消和压力在线自校准，并在长期运行中保持压力输出的连续性与稳定性。

2、为了实现上述目的，本技术第一方面提供一种低功耗传感变送器的三维耦合温漂动态抵消自校准方法，应用于地热井口的毛细管远传压力变送器，所述毛细管远传压力变送器包括通过内部填充硅油的毛细管与井口隔离膜片连接的压阻式敏感芯片，所述压阻式敏感芯片位于电子仓内并设有压阻电桥，包括：

3、s1毛细管远传压力变送器唤醒后，读取所述压阻式敏感芯片热耦合设置的温度二极管的当前粗读数，确定所述当前粗读数与上一次粗读数之差的绝对值，并将所述绝对值除以两次唤醒的时间间隔，得到粗温度变化速率，并根据所述粗温度变化速率与预设粗温度变化速率阈值的比较结果生成热暂态标记；

4、s2在能够完成各激励状态的状态建立和采集且窗口长度小于电路自热路径时间常数的采样窗口内，按照正向恒流、反向恒流、正向恒压、反向恒压、反向恒压、正向恒压、反向恒流和正向恒流的顺序激励所述压阻电桥，采集每一激励状态对应的电桥差分输出电压和该次采样对应的实际激励值，每次采样先用该次实际激励值对该次电桥差分输出电压进行归一化，再对同一激励状态关于所述采样窗口的时间中心对称的两次归一化输出进行平均，得到四个代表归一化输出；

5、s3基于离线标定得到的系数矩阵以及由所述四个代表归一化输出形成的归一化输出集合进行预解算判断，对以压力、敏感芯片等效温度和短期热扰动修正项为未知量的方程进行约束最小二乘求解，得到候选的补偿后的压力值、敏感芯片等效温度和短期热扰动修正项，当预解算结果不满足预设条件时，判定本次解算无效；

6、s4当步骤s3的预解算结果满足预设条件并完成所述约束最小二乘求解时，将所述四个代表归一化输出与由求解结果回代得到的对应输出估计值进行比较，得到各激励状态的输出残差，并根据所述输出残差生成解算置信度标志；当所述解算置信度标志表示本次解算有效时，将所述候选的补偿后的压力值确定为本次有效压力值并输出，存储本次有效求解所得敏感芯片等效温度，并在已存在上一次有效求解所得敏感芯片等效温度时，将本次有效求解所得敏感芯片等效温度与上一次有效求解所得敏感芯片等效温度之差的绝对值除以相应时间间隔，得到等效热状态变化速率；当尚不存在上一次有效求解所得敏感芯片等效温度时，不计算所述等效热状态变化速率；当所述解算置信度标志表示本次解算无效时，输出上一次有效压力值以及表示本次解算无效的解算置信度标志，且不更新所述等效热状态变化速率；

7、s5当本次解算有效且已得到所述等效热状态变化速率时，根据所述等效热状态变化速率和所述热暂态标记调整下一次唤醒间隔；当本次解算有效但尚未得到所述等效热状态变化速率时，采用预设初始唤醒间隔，或根据所述热暂态标记执行保守控制；当本次解算无效时，若所述热暂态标记表示高热暂态，则缩短下一次唤醒间隔，否则保持当前唤醒间隔不变。

8、在本技术的一个实施例中，步骤s1中，读取所述压阻电桥在固定正向恒流激励下的当前初始输出；当毛细管远传压力变送器处于零压力条件或者已由外部参考获得当前压力时，获取所述压阻电桥在相同固定正向恒流激励下的上一次初始输出，从所述当前初始输出和所述上一次初始输出中分别扣除对应的压力分量，确定扣除压力分量后的两次初始输出的差值，并将所述差值的绝对值除以两次唤醒的时间间隔，得到零点漂移速率；根据所述零点漂移速率与预设零点漂移速率阈值的比较结果对所述热暂态标记进行辅助判断。

9、在本技术的一个实施例中，步骤s2中，对于恒流激励状态，根据串联于激励回路的内部精密基准电阻两端的基准电阻电压和所述内部精密基准电阻的阻值得到实际激励电流；对于恒压激励状态，获取施加于所述压阻电桥激励端的实际激励电压；所述采样窗口的长度大于八个激励状态各自的模拟开关切换时间、模数转换器建立时间和采集时间之和，并小于所述电路自热路径时间常数，且同一激励状态的两次采样时刻关于所述采样窗口的时间中心对称，每次采样先用该次实际激励电流或该次实际激励电压对该次电桥差分输出电压进行归一化，再对同一激励状态关于采样窗口的时间中心对称时刻获得的两次归一化输出进行平均。

10、在本技术的一个实施例中，步骤s3中，在得到四个代表归一化输出后，先基于离线标定得到的系数矩阵和偏置向量进行一次无约束最小二乘求解，得到压力、敏感芯片等效温度和短期热扰动修正项的初步估计值；将所述初步估计值代入各状态对应的方程，得到各状态的输出预测值；计算四个代表归一化输出与对应输出预测值之间的偏差，当任一状态的偏差超过对应偏差阈值时，判定该状态异常并生成表示本次预解算异常的标志，判定本次解算无效且不执行带约束最小二乘求解；仅当全部状态均未超过对应偏差阈值时，继续执行带约束最小二乘求解。

11、在本技术的一个实施例中，步骤s3中，所述离线标定得到的系数矩阵为四行三列矩阵，且关于压力、敏感芯片等效温度和短期热扰动修正项的三列满秩；所述系数矩阵在离线标定时通过施加不同压力、不同温度以及可控微功耗差异获得，并且先将压力、敏感芯片等效温度和短期热扰动修正项转换为无量纲标准化变量，再对标准化后的系数矩阵计算条件数；条件数不超过预设上限。

12、在本技术的一个实施例中，步骤s4中，在四个激励状态的输出残差均不超过各自对应的残差阈值，且所述候选的补偿后的压力值、所述敏感芯片等效温度和所述短期热扰动修正项均位于各自对应的有效边界内时，生成表示本次解算有效的解算置信度标志；否则，生成表示本次解算无效的解算置信度标志。

13、在本技术的一个实施例中，步骤s5中，当所述等效热状态变化速率超过预设上限或者所述热暂态标记表示高热暂态时，缩短下一次唤醒间隔；当所述等效热状态变化速率低于预设下限并且所述热暂态标记表示低热暂态时，延长下一次唤醒间隔。

14、通过上述技术方案，在设置窗口长度小于电路自热路径时间常数且能够完成全部激励状态建立和采集的采样窗口，并在该窗口内按照镜像顺序对压阻电桥进行八状态激励，对各次采样得到的电桥差分输出电压按照该次采样对应的实际激励值进行归一化，再对同一激励状态关于采样窗口的时间中心对称时刻获得的两次归一化输出进行平均，使得状态切换引起的短时自热扰动和一阶热漂移被抑制，从而获得热状态近似一致且具有互补信息的多组电桥输出，为后续温漂补偿提供稳定输入。通过构建由所述四个代表归一化输出组成的归一化输出集合，并以压力、敏感芯片等效温度和短期热扰动修正项为未知量在物理约束下进行最小二乘求解，使得三条热路径耦合引起的温漂被等效估计并抵消，从而在不增加额外高精度温度传感器的前提下实现压力在线解算。通过在约束求解前识别异常状态，并在存在异常状态时拒绝本次解算，避免异常数据进入后续约束求解。通过将输出残差与有效边界联合判断生成解算置信度标志，在解算无效时输出上一次有效压力值并保持离线标定系数不变，使得自校准结果在解算无效时不被异常解污染，输出数据连续可靠。通过根据等效热状态变化速率和热暂态标记调整下次唤醒间隔，使得在昼夜温差快速变化时段能够更密集地跟踪温漂，在稳定时段延长休眠时间，从而在保证补偿效果的同时降低平均功耗。

15、本技术实施例的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。