傳感器非線性誤差的修正

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1、傳感器非線性誤差的修正摘要：傳感器在采集數(shù)據(jù)時(shí)存在一定的非線性誤差。要使系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳，必須對(duì)傳感器的非線性誤差進(jìn)行分析和處理。本文討論了傳感器非線性誤差的幾種處理方法，并對(duì)各種方法作了比較。關(guān)鍵詞：非線性誤差，硬件電路校正，查表法，插值法，最小二乘法，頻域修正法一、引言在工業(yè)過程控制中，由于傳感器的非線性輸出特性和同種傳感器的輸出存在一定的分散性，測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。為此，我們需要對(duì)傳感器的特性進(jìn)行校正和補(bǔ)償，以提高測(cè)量的精度，并且使傳感器輸出線性化和標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)非線性誤差的矯正和補(bǔ)償可以采用硬件電路或者軟件的方法來實(shí)現(xiàn)。二、采用電路進(jìn)行非線性誤差

2、的矯正采用硬件電路對(duì)非線性誤差進(jìn)行矯正，優(yōu)點(diǎn)是速度快；缺點(diǎn)是價(jià)格高，擬合程度不好。通常我們采用以下幾種電路進(jìn)行校正：1、算術(shù)平均法算術(shù)平均法的基本原理是通過測(cè)量上下限的平均值，找到一條是原傳感器輸出非線性特性得以改善的擬合曲線。對(duì)電阻傳感器基本電路如作圖所示。設(shè)溫度變化范圍為a~c，平均溫度：b=(a+c)/2，傳感器對(duì)應(yīng)的輸出阻值分別為Ra，Rb，Rc，由于傳感器的非線性，Rb≠(Ra+Rc)/2。為了使三個(gè)點(diǎn)的電路輸出為線性，則應(yīng)滿足并聯(lián)電阻Rpb=(Rpa+Rpc)/2。其中Rpa，Rpb，Rpc分別為溫度在a,b,c時(shí)的并聯(lián)電阻。通過計(jì)算可得：2、橋

3、路補(bǔ)償法該方法的基本原理是利用測(cè)量橋路的非線性來校正傳感器的非線性。電路如右圖所示。取R1=R2，橋路輸出設(shè)于三個(gè)不同的溫度點(diǎn)a,b,c相適應(yīng)的Rt與V分別為Ra、Va、Rb、Vb、Rc、Vc，代如上式得到方程組：解此方程組可得到滿足要求的R3、RB、ε。小結(jié)：以上兩種方法，原理和電路非常簡(jiǎn)單，但線性關(guān)系只是在三個(gè)特定的點(diǎn)嚴(yán)格成立，其他各點(diǎn)僅得到不同程度的改善，因此適用于非線性度不嚴(yán)重，或測(cè)量范圍小的情況。一、采用查表法修正在高速數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)中,為滿足實(shí)時(shí)控制的要求,一般采用查表法進(jìn)行傳感器的非線性補(bǔ)償。即預(yù)先將一張表明頻率值f與距離值h的關(guān)系表格寫入

4、微機(jī)的ROM中,單片微機(jī)在每次采集到頻率信號(hào)后,查表得到對(duì)應(yīng)的距離值h,以實(shí)現(xiàn)傳感器特性線性化的目的。與傳統(tǒng)的方法相比，查表校正法更注重單個(gè)傳感器的實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)換特性，而不再采取理想測(cè)量轉(zhuǎn)換特性簡(jiǎn)單近似的代替實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)換特性的做法。具體方法分3步進(jìn)行：1、校正、制造標(biāo)準(zhǔn)表格用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源作被測(cè)對(duì)象，對(duì)傳感器進(jìn)行校正測(cè)量。將測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的準(zhǔn)確值按一定方法制成表格，并給出相應(yīng)的查表方法。2、表格存儲(chǔ)將表格內(nèi)容寫入ROM區(qū)域內(nèi)，形成固化的測(cè)量轉(zhuǎn)換特性表。3、測(cè)量、查表測(cè)量實(shí)際被測(cè)量對(duì)象，將實(shí)際測(cè)量值作為查表參數(shù)，按給定的查表方法查表，到對(duì)應(yīng)的ROM單元中取出預(yù)先

5、存入的準(zhǔn)確值作為測(cè)量轉(zhuǎn)換值。由于采取傳感器與表格一一對(duì)應(yīng)形成，可以消除因傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換特性的離散性帶來的誤差。在查表校正方法中，實(shí)際測(cè)量值做查表參數(shù)時(shí)，可由兩種不同的方案。一種是以實(shí)際測(cè)量值做ROM表格地址參數(shù)，按地址查表。在這種方法中，ROM表格內(nèi)容與實(shí)際測(cè)量值無關(guān)，而與左腳征用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源有關(guān)，將信號(hào)源的準(zhǔn)確值按遞增關(guān)系直接寫入ROM內(nèi)。ROM表格的地址形成則與實(shí)際測(cè)量值有關(guān)，有實(shí)際測(cè)量值經(jīng)相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，形成查表地址，按地址查ROM表格內(nèi)容，作測(cè)量輸出值。另一種是以實(shí)際測(cè)量值做ROM表格內(nèi)容參數(shù)，按內(nèi)容查表。在這種方法中，ROM表格內(nèi)容為實(shí)際測(cè)量校準(zhǔn)值，R

6、OM地址與實(shí)際測(cè)量值無關(guān)，為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的準(zhǔn)確值的遞增運(yùn)算表達(dá)式。按ROM內(nèi)容查表，當(dāng)實(shí)際測(cè)量值與ROM區(qū)域中某單元內(nèi)容一致時(shí)，將其對(duì)應(yīng)單元地址單元經(jīng)運(yùn)算后，作測(cè)量輸出值。對(duì)應(yīng)兩種不同的ROM表格，查表校正法在硬件結(jié)構(gòu)上沒有差別，但在軟件實(shí)現(xiàn)查表時(shí)，有很大不同。這兩種方案均可有效消除因傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換特性的離散性及非線性行所帶來的測(cè)量誤差，但從執(zhí)行效果看，兩種方案各有特色。按地址查表法屬直接查表法，對(duì)應(yīng)不同傳感器，ROM的內(nèi)容是一致的，且與具體傳感器無關(guān)，實(shí)時(shí)性好。按內(nèi)容查表法屬間接查表法，對(duì)應(yīng)不同傳感器，ROM的內(nèi)容各不相同，且與具體傳感器有關(guān)，但精度高。小結(jié)

7、：在工業(yè)化的批量生產(chǎn)中，查表校正法與其他校正法相比，具有以下特點(diǎn)：1)校正方法簡(jiǎn)單，適合于非專用芯片構(gòu)成的儀器、儀表的批量生產(chǎn)。2)校正精度高。校正精度僅與ROM容量有關(guān)，當(dāng)校正精度提高時(shí)，只需相應(yīng)增加ROM容量即可。3)校正速度快，實(shí)時(shí)性好。由于采用構(gòu)造硬件校正標(biāo)的方法進(jìn)行硬件查表操作，與軟件校正方法相比較，校正速度快，適合于應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的儀器、儀表中。4)電路簡(jiǎn)單，通用性好。采用ROM做校正表，與CPU的接口簡(jiǎn)單，且造表方法與傳感器種類無關(guān)，只要配以適當(dāng)?shù)膫鞲衅鹘涌?，即可方便的于各種傳感器杰在一起，具有極強(qiáng)的通用性。實(shí)際工作中，亦可用EPROM

8、,E2PROM做校正表。一、采用插值法進(jìn)行曲線擬合前