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改善传感器的软件处理方法

菜鸟
2002-07-21 00:50:00    评分
摘要:本文研究了改善传感器特性的一般方法,并针对传感器的静态特性和动态特性,提出了用软件处理方法来改善其特性的设计方法,理论和实验研究表明该方法具有一定的实用价值,特别适用于利用单片机进行开发的智能传感器。 关键词:传感器、静态特性、动态特性、软件处理方法。   一、引言 传感器在自动检测与自动控制中所起的作用是非常重要的,它的特性好坏直接关系着各种工艺参数检测与控制精度的高低。所谓传感器的特性一般包括两方面的内容:一是传感器的静态特性,即传感器在被测量的各个值处于稳定状态时,输出量与输入量之间的关系;二是传感器的动态特性,亦即传感器对于随时间变化的输入量的响应特性,传感器所检测的非电量信号大多数是时间的函数[1],是对传感器的输出值能够真实地再现变化着的输入能力的反映。 在实际工程中,大多数传感器的输入信号,与被测参数之间呈现非线性关系,这是造成测与控精度低、误差大的主要原因。另外,传感器数学模型的精确与否也关系到测控性能的好坏。如在温度测量中,热电偶或热电阻的输出电压与被测温度之间就是一个非线性关系。在灰尘含量的测量中,灰尘传感器的输出与灰尘浓度之间呈指数关系[2]。 产生非线性的原因,一方面是由于传感器本身的非线性,另一方面非电量转换也会出现非线性。温度测量主要是传感器本身造成的非线性,灰尘浓度测量的非线性主要是由转换过程中造成的。 为了使传感器输出信号与输入信号成线性关系,另外输出信号与输入信号随时间的变化曲线一致或相似,要求传感器不仅具有良好的静态特性,而且还应具有良好的动态特性。随着计算机技术的发展,特别是单片机应用技术在智能仪表、自动化装置以及其他行业各种参数的测量与控制中的广泛应用,软件成为实现这个目的的良好途径。采用软件对传感器特性进行补偿处理,可提高了感器的性能指标,省去复杂硬件电路、简化装置、降低成本。发挥微型计算机的智能作用,提高了检测的准确性和精度,拓宽了传感器的应用范围,适当改变软件的内容,就可对不同的传感器进行补偿,使智能传感器和多功能传感器的实现非常容易。实验表明这种方法具有工程实用性。 二、改善静态特性的软件处理方法 传感器输出与输入之间的关系可由下列方程式确定(不考虑迟滞及蠕变效应): (1) 式中,Y—输出量; X—输入量; a0—零位输出; a1─传感器的灵敏度,常用K表示; a2,a3……an—非线性待定常数。 如果a0=0,表示静态特性通过原点,此时静态特性由线性项a1X和非线性项(a2X2 + ….+anXn) 迭加而成。 实际应用中,若非线性项的方次不高,则在输入量变化不大的范围内,用切线或割线代替实际的静态特性曲线的某一段,使传感器的静态特性近似于线性,即传感器静态特性的线性化,是可以满足工程要求的。一般情况下,应将测量范围选取在静态特性最接近直线的一段,此时原点可能不在零点。 传感器静态特性的非线性使其输出不能成比例的反映被测量的变化情况,对动态特性也有一定的影响。所以,非线性误差是传感器静态特性的一个非常重要的性能指标。下面就非线性软件处理方法的实现进行叙述。 1、计算法 当输出信号与传感器参数之间有确定的数学表达式时,就可采用计算法进行非线性补偿。 所谓计算法就是在软件中编制一段完成数学表达式的计算程序,当被测参数经过采样,滤波和标度变换后,直接进入计算程序进行计算,计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。 在工程应用中,被测参数和输出电压常常是一组测定的数据。此时,如仍想采用计算法进行线性化处理,则可应用数学上的曲线拟合的方法,如最小二乘法、端基法、数值逼近法等,对被测参数和输出电压进行拟合,得出误差最小的近似表达式。 2、查表法 当数学表达式比较简单时,采用计算法进行补偿是一个切实可行的方法。但如果某些参数计算非常复杂,可采用查表法。另外,当被测参数与输出电压没有确定的关系或不能用某种函数表达式进行拟合时,也可采用查表法。 查表法是将传感器的输出电压由小到大按顺序计算出该电压所对应的被测参数,将输出电压与被测参数的对应关系等分成若干点(点越多精度越高),将这些对应点的对应关系编成一张表格,存入存贮器,这样传感器每输出一个电压值,就从存贮器中取出一个对应的被测参数值。采用此方法,就能用查表法对传感器进行线性化处理了。 用查表法进行线性化的原理方框图如图1所示。 图1 查表法线性化原理方框图 经传感器测得的信号Vo,首先送入A/D转换器进行模数转换,使之变换成数字输出(BCD码),然后送入锁存器予以锁存。销存器的BCD码输出为存贮器的地址码,访问存贮器,由于存贮器中已按Vo与被测参数的对应关系写好了表格内容,所以存贮器输出就是与V0对应的被测参数值。 表格的编制是查表法的关键,现介绍表格的编制方法。 按照传感器的输出信号与输入参数之间的函数关系式,分别将Vo=1mV、2mV、3mV……999mV代入式中,计算出输入参数值X,将其填入下表中。 传感器 输出Vo (mV) X 传感器 输出V0 (mV) X A B A B 1 8 97 . . . . . . 944 0 31 2 8 63 945 0 33 3 8 41 946 0 17 4 8 20 947 0 12 5 9 01 948 0 09 6 7 93 949 0 07 注:X栏中,A栏的内容应填写高位数据。B栏的内容应填写低二位数据,然后以传感器输出一栏中的毫伏数作为地址,将对应的A栏中的内容写入存贮器A中,B栏的内容写入存贮器B中予以固化,这样就可实现传感器的线性化了。非线性误差可达0.05%±1个字,抗干扰能力强。 3、插值法 在实际传感器的设计与应用中,常常把查表法与计算法有机结合起来,从而形成了插值法。下面通过图2详细地讨论这种方法。 图2是某传感器的X-Y特性,可以看出它是一个非线性函数关系。将图2中输入X分成几个均匀的区间,则每个区间的端点Xk都对应一个输出Yk。把这些(Xk,Yk)编制成表格存贮起来。实际的测量值Xi一定会落在某个区间(Xk, Xk+1)内,即Xk



关键词: 改善     传感器     软件     处理     方法     静态     特性     进行         

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