文档介绍：第 12 章传感器的补偿和抗干扰技术
在实际测量中,影响检测系统或测量装置的精度和线性度等性能指标的因素,有两个
重要方面:一是传感器的非线性特性;二是检测元件和电路受温度变化的影响。为此,对
传感器需要进行相应的补偿。
由于传感器的工作环境都是非常复杂的,各种干扰信息也会通过不同的耦合方式进入
传感器,使测量结果偏离准确值,严重时会使传感器不能正常工作。为保证传感器不受外
界干扰,需要研究和引入抗干扰技术,使得传感器在使用中,能正确测量,减小误差,把
干扰的影响降到最低或允许的程度。
本章主要介绍传感器的补偿原理及补偿方法,同时介绍一些与干扰有关的概念和抑制
干扰的方法。
传感器的补偿技术
非线性误差及补偿
在工程检测中,一般希望显示仪器的值是均匀的,即测量仪表的输出量 y 与输入量 x (被
测量)之间关系 y = fx()呈线性关系,以保证仪表在整个测量范围内灵敏系数为常数,以便
于处理测量结果。但在实际检测中,利用传感器把许多物理量转换成电量时,大多数传感
器的输出电量与被测物理量之间的关系不是线性的。产生非线性的原因,一方面是由于传
感器变换原理的非线性;另一方面是由于转换电路的非线性。同时,传感器具有离散性,
还可能产生温漂、滞后等。因此,为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系,除
了对传感器本身在设计和制造工艺上采取一定措施外,还必须对输入参量的非线性进行补
偿,或称线性化处理。
过去这些数字量的线性化,都是采用硬件处理技术来实现的。随着计算机技术的广泛
应用,尤其是微型计算机的迅速发展,人们想到了充分利用计算机处理数据的能力,用软
件进行传感器特性的非线性补偿,使输出的数字量与被测物理量之间成线性关系。
采用软件实现数据线性化,一般有三种方法:计算法、查表法和插值法,下面分别予
以介绍。
1. 计算法
当传感器的输入量与输出量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。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,当被测量经过采样、滤
波和变换后,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量。
在工程实际中,被测参量和输出量常常是一组测定的数据,这时可应用数学上曲线拟
合的方法,一般采用“误差平方和为最小”的方法,求得被测参量和输出量的近似表达式,
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随后利用计算法进行线性化处理。
2. 查表法
有些情况下,某些参数计算非常复杂,特别是计算公式涉及到指数、对数、三角函数
和微分、积分等运算时,编制程序相当麻烦,采用计算法会增加编写程序的工作量和占用
计算时间,此时可以采用查表法。此外,当被测量与输出量没有确定的关系,或不能用某
种函数表达式进行拟合时,也可采用查表法。
所谓查表法,就是事先把检测值和被检测值按已知的公式计算出来,或者用测量法事
先测量出结果,然后按一定方法把数据排成表格,存入内存单元,以后微处理机就根据检
测值大小查出被测结果。
在实际测量时,输入参量往往并不正好与表格数据相等,一般介于某两个表格数据之
间,若不作插值计算,仍然按其最相近的两个数据所对应的输出数值作为结果,必然有较
大的误差。所以查表法大都用于测量范围比较窄,对应的输出量间距比较小的列表数据,
例如室温用数字式温度计等。不过,此法也常用于测量范围较大但对精度要求不高的情况
下。应该指出,这是一种常用的基本方法。
查表法可以完成数据补偿、计算、转换等功能,它具有程序简单、执行速度快等优点。
常用的查表法有顺序查表法和对分搜索法。
3. 插值法
插值法就是用一段简单的曲线,近似代替这段区间里的实际曲线,然后通过近似曲线
公式,计算出输出量。使用不同的近似曲线,就形成不同的插值方法。在仪表和传感器线
性化中常用的插值方法有下列几种。
1) 线性插值法(又称折线法)
它是一种常用的插值方法,其基本思想是用通过 n +1 个插值接点的 n 段直线来代替函
数 y = fx()的值。在数学上用下述简单公式表示:
yy−
y =+yxxkk+1 i() −(12-1)
i kik−
xxkk+1
y − y
当检测值 x 确定后,首先通过查表确定 x 所在区间,再顺序调到预先计算好的 k +1 k
i i −
xk +1 xk
系数项,然后代入插值公式计算出。
yi
采用线性插值法,只要段数分得足够多,就可以得到必要的计算精度,但这需要增加
大量的分段数据和计算机内存容量。因此,在满足精度前提下,选取合适的分段数,以减
少标定点数