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自校零和自校准技术(修改后)概要.pdf

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自校零和自校准技术(修改后)概要.pdf

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燕山大学
新型传感器课题报告
题目__________________________________智能传感器的自校正、自校零
__________________________________与自校准技术
小组成员:程琪S**********
胡玉伟S**********
华露S**********
马双娜S**********
电气工程学院学院精密仪器及机械专业13班
__________________________________________________________________________
______2017年___1月___4日:.
目录
摘要........................................................................................III
第一章引言...........................................................................................1
第二章非线性自校正技术....................................................................2
.......................................................2
...............................................................2
.............................3
.............................4
..........................................................................................7
第三章自校零技术...............................................................................8
............................................................................8
........................................................8
.................................................................8
.........................................................................9
...................................................................10
............10
....................................12
第四章自校准技术.............................................................................14
.............................................................................14
...............................14
..................................................................14
..................................................................15
I:.
...............16
..............................................16
......................................................16
参考文献.......................................................................................17
II:.
摘要
本文介绍了传感器的几种非线性校正技术方法以及自校准与自
校零技术的原理;论述了实时在线校准技术的实现方法,从校准的定
义出发,引申出了仪器仪表自校准的概念,并对自校准实现的基本原
理和过程进行了分析。
关键词:传感器;非线性校正;自校零技术;自校准技术
III:.
新型传感器课题报告
第一章引言
伴随着在互联网网全球化的推动下的科技进步,对传感器进行智能化设计越
来越成为所需,智能化方法也得到了相应的发展。根据传感器技术的发展,将传
感器智能化按其功能分为以下几个阶段:
1)初级智能化。仅具有改善非线性误差,消除噪声影响,提高精度的功能。
2)自立智能化。增加了自我诊断,自我校正等自我调节功能,具有就地处
理,适应环境的能力。
3)高级智能化。具有多维检测,特征检测,图像显示和图像识别等功能,
具有分析记忆,模式识别,自学****甚至思维能力。
本文就传感器的非线性校正技术,自校零技术和自校准技术进行论述。通过
对这方面的了解与学****希望可以在现有的技术水平上进行改进,使其有更好的
性能,能更准确地工作,更好地为我们所用。
1:.
智能传感器自校正、自校零与自校准技术
第二章非线性自校正技术
测量系统的线性度(非线性误差)是影响系统精度的重要指标之一。智能传
感器系统具有非线性自动校正功能,可以消除整个传感器系统的非线性系统误
差,提高测量精度。
与经典传感器技术不同的是,智能化非线性自动校正技术是通过软件来实现
的。它不在乎测量系统中任一测量环节具有多么严重的非线性特性,也不需要再
对改善测量系统中每一个测量环节的非线性特性而耗费精力,只要求他们的输入
-输出特性具有重复性。

传感器就是一种以一定的精确度将被测物理量(如位移、力、加速度等)转换
为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装
置。
狭义地定义为:能把外界非电信号转换成电信号输出的机器或装置。传感器
的作用就是把光、声音、温度等各种物理量转换为电子电路能处理的电压或电流
信号。
理想传感器的输入物理量与转换信号量呈线性关系,线性度越高,则传感器
的精度越高,反之,传感器的精度越低。
在自动检测系统中,我们总是期望系统的输出与输入之间为线性关系,但在
工程实践中,大多数传感器的特性曲线都存在一定的非线性度(有时又称为线性
度与积分线性度)误差,另外,非电量转化电路也会出现一定的非线性。
传感器非线性特性产生的原因从传感器的变换原理可以看出,利用各类传感
器把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都
存在一定的非线性,这是数据采集系统产生非线性特性的主要原因,其次是变换
电路的非线性。

非线性校正方法分别从硬件和软件两方面给出了校正的方法,并对硬件、软
件校正的优缺点做出了总结,即非线性的线性化校正采用何种方法,要根据实际
应用的要求来确定。
2:.
新型传感器课题报告

1)敏感元件特性的线性化
敏感元件是非电量检测的感受元件,它的非线性对后级影响很大,我们应尽
量使它线性化。
如用热敏电阻测量,热敏电阻Rt与t的关系是:
Rt=A・exp(B/T)(1)
式中,T=273+t,t为摄氏温度;A,B均为与材料有关的常数,
显然Rt与t呈非线性,我们可以采用一个附加线性电阻与热敏电阻并联,
所形成的并联等效电阻Rp与t有近似线性关系,如图1,Rp的整段曲线呈S形。
电路并联的电阻R可由(3)式确定。
R*R
Rt
PRR
t(2)
R(RR)2RR
RBACAC
RR2R
ACB
(3)
图1并联等效电阻曲线
其中RA、RB、RC是热敏电阻在低温,中温和高温下的电阻值。
2)折线逼近法
将传感器的特性曲线用连续有限的直线来代替,然后根据各转折点和各段直
线来设计硬件电路,这就是最常用折线逼近法。转折点越多,各段直线就越逼近
曲线,精度也就越高,但太多了就会因为线路本身误差而影响精度,所以转折点
的选取与要求的精度和线路有密切的联系,在实际应用中,应采取具体问题具体
3:.
智能传感器自校正、自校零与自校准技术
分析的办法。
3)小结
此外,采用硬件方法校正中还有抛物线逼近法、线性提升法、测量桥电路线
性化等等。总之,硬件方法校正,因为其本身需要采用较多的硬件电路,在实际
中做到完全校正是很困难的。随着计算机技术的广泛应用,特别是单片机的迅速
发展,在数据采集系统中用软件(程序)进行非线性校正得到了越来越广泛的应
用。

传统的软件非线性校正方法主要有反函数法、查表法、分段内插法、样条函
数内插法和曲线拟合法。而近几年出现了几种新的校正方法如遗传算法、神经网
络算法、支持向量机方法。下面就做反函数法,查表法和神经网络算法做简单介
绍。
1)反函数法
图2a是一个被控物理对象,其输出物理量y和输入控制量x之间有非线性
函数关系y=f(x)。如果将这个客观非线性物理过程强制性拟合成某一线性过程
y=ax+b,则将产生非线性误差。例如,为使被控对象输出y,按被控对象本身特
性函数y=f(x),应加控制量x,但由于过程被拟合成线性函数y=ax+b实施控制,
l
据此给出的输入控制量将不是x,而是x,因此实际输出将不是y,而是y,产
l212
生偏差。Δy=y-y,降低控制精度,在闭环控制时将降低系统动态控制品质。
21
为依据物理过程本身实际规律校正非线性,可求出函数y=f(x)的反函数
x=φ(y),构成反函数发生器,如图2b所示。该反函数发生器将可由给定目标值y
得到应施加的控制量x。例如,为使被控对象输出y,由反函数发生器可得到应
1
施加的控制量为x。
l
因此,如图2c,只要在被控对象输入端前加一级反函数发生器x=φ(y′),系
统将根据输入目标值按照被控对象本身物理过程由反函数发生器产生对应的控
制量,施加于被控对象,从而得到与输入目标值相一致的输出。系统输出y与输
入y′之间成为线性关系:
y=f(x)=f[φ(y′)]=y′
系统不再是一个近似线性模型,而是一个精确的与实际系统相一致的线性系
4:.
新型传感器课题报告
统模型。
图2反函数法非线性校正
反函数发生器在有测量反馈条件的计算机闭环控制系统中是容易实现的,它
可以通过对被控对象函数关系的测量求取其反函数,编制反函数表得到。采用计
算机查表法的反函数发生器具有极快的响应速度,而且由于系统消除了一次近似
时的非线性误差,因而使得系统具有更好的动态精度和动态控制质量。
2)查表法
查表法也就是根据A/D的转换精度要求把测量范围内参数划分成若干等分
点,然后由小到大按顺序计算出这些等分点相对应的输出数值,这些等分点和其
对应的输出的数据就组成了一张表,把这张数据表存放在存贮区中。软件处理方
法是在程序中编制一个查表程序,当被测参数经过采样等转换后,通过查表程序
直接从数据表中查出相对应的输出参数值。
如图3与表1所示,压力P(0—20MPa),电压V(200—2200mV)ΔP为步长,
n为点数(n=Pmax/ΔP),即存储长度。建表方法是P以0压力为基址,点数n为
长度,每个压力点的压力值都是等步长ΔP的整数倍,每个压力点与对应的电压
值组成一对数据,一共有(n+1)个这样的数据对,将其制成一个表格,以便查询。
显然n越大,精度越高,比如,取n值为2000,则ΔP=Pmax/n=(MPa/mV),
但是表格制作比较麻烦,查表比较费时间,而且数据表格要占用相当多的内存;
5:.
智能传感器自校正、自校零与自校准技术
如果n值太小,比如n值为20,则ΔP=Pmax/n=1(MPa/mV),精度就难以达到要
求,表格很容易失去作用。所以在制作表格时,n的值要根据实际应用情况来确
定。另外,在一种测试环境下制作的表格,在另一种环境下不一定能够适应,如
温度的变化,关键是抑制温漂。
图3表格划分
表1表格划分的对应取值表
3)神经网络算法
一个传感器系统可表示为y=f(x,t),其中,y为传感器的输出量;x为传感器
的输入量;t为影响传感器的非线性因素(x,t可以是一维行向量。用来表示多个
输入量和多个外界非线性因素)。目的是根据测得y求得未知的x,即x=g(y,t)。
神经网络的研究对消除和补偿传感器系统的非线性特性提供了一种新方法,如图
4所示。
图4非线性校正
传感器输出y通过一个补偿逆模型,模型的特性函数为p=kx=kg(y,t),其
6:.
新型传感器课题报告
中,p为非线性补偿后的输出;k为常数,很显然g(*)也是一个非线性函数,使补偿
后的传感器具有理想特性。在实际应用中,非线性函数g(*)的表达式难以准确求
出,但可以通过建模来实现,补偿模型的建立就成了校正传感器非线性特性的关
键。人工神经网络具有处理非线性优化问题的能力,其中,BP网络强大的非线性
映射能力和泛化功能,使任意连续的非线性函数(如传感器逆模型)和映射均可采
用三层网络建模加以实现。

总之线性化校正的价值在于提高精度,提高传感器的生产成品率。由上,我们
可以看出用软件进行线性化处理,不论采用哪种方法,都要花费一定的程序运行
时间。特别是在实时测试和控制系统中,如果系统处理的问题很多,实时性要求很
强,选用硬件进行线性化处理是合适的。但是如果控制系统的时间够用时,采用软
件处理就可以大大简化硬件电路。用软件代替硬件进行线性化处理,它省去了复
杂的非线性硬件电路,降低了系统的成本;而且它能发挥计算机智能作用,提高了
检测的准确性和精度;尤其,利用线性插值法,将实际曲线用直线段近似逼近,通
过近似公式计算,如果折线的段数取得合适,可以达到比较高的精确度,并且,计
算方法也比较简单;还有,适当改变软件的内容,就可以对不同传感器或转换电路
进行补偿。总之,传感器的非线性处理方法应根据系统的具体情况全面考虑再作
决定。
7:.
新型传感器课题报告
第三章自校零技术
在传感器的测量过程中,由于仪器内部器件的零点偏移及其温漂,即使零输
入时也有输出读数,产生测量误差。

因为仪器存在误差且误差很可能随环境而变化,所以就需要设计一种自校正
装置,使得传感器的参数发生漂移时能够实现自我的补偿与校准,从而使得测量
结果更加精确。
以线性系统为例,假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出(y)—输入
(x)特性如下:
y=a+ax
01
式中:a0——零位值,即当输入x=0时之输出值;
a1——灵敏度,又称传感器系统的转换增益。
对于一个理想的传感器系统,a0与a1应为保持恒定不变的常量。但是实际
上,由于各种内在和外来因素的影响,a0和a1都不可能保持恒定不变。譬如,
决定放大器增益的外接电阻的阻值就会因温度变化而变化,因此就会引起放大器
增益改变,从而使得传感器系统总增益改变,也就是系统总的灵敏度发生变化。
设a1=S+Δa1,其中S为增益的恒定部分,Δa1为变化量;又设a0=P+Δa0,P
为零位值的恒定部分,Δa0为变化量,则
y(Pa)(Sa)x
01
式中:Δa0——零位漂移;
Δa1——灵敏度漂移。


实时测量零点有两种方法,方法一:不含传感器自校,;方法
二:含传感器自校,。
8:.
新型传感器课题报告
(不含传感器自校)
(含传感器自校)
从上面两幅图中可以看到传感器每次工作的时候都会测零,这种方法称为实
时测量零点。

,能够实时自校包含传感器在内的
整个传感器系统。标准发生器产生的标准值xR、零点标准值x0与传感器输入的
被测目标参数x的属性相同。如,输入压力传感器的被测目标参量是压力P=x,
则由标准压力发生器产生的标准压力PR=xR,若传感器测量的是相对大气压PB
的压差(又称表压),那么零点标准值就是通大气x0=PB,多路转换器则是非电型
的可传输流体介质的气动多路开关——扫描阈。同样,微处理器在每一特定的周
期内发出指令,控制多路转换器执行校零、标定、测量三步测量法,可得全传感
a
器系统的增益/灵敏度1为:
yy
aSaR0
1x
R
y
R——标准值xR为输入量时的输出值;
9:.
智能传感器自校正、自校零与自校准技术
y
0——零点标准值x0为输入量时的输出值。
整个传感器系统的精度由标准发生器产生的标准值的精度来决定。只要求被
校系统的各环节,如传感器、放大器、A/D转换器等,在三步测量所需时间内保
持短暂稳定。在三步测量所需时间间隔之前和之后产生的零点、灵敏度时间漂移、
温度漂移……都不会引入测量误差。这种实时在线自校准功能,可以采用低精度
的传感器、放大器、A/D转换器等环节,达到高精度测量结果的目的。因此具有
自校准功能的智能传感器系统实现了高精度。

对于输入—输出特性呈非线性的系统,只采用两个标准值的三步测量法来进
行自校准则是不够完善的。
实时在线自校准功能的实施过程是:
(1)对传感器系统进行现场、在线、测量前的实时三点标定,即依次输入
xxxyyy
三个标准值:R1,R2,R3,测得相应输出值:R1,R2,R3。
CCCy
(2)列出反非线性特性拟合方程式x(y)=0+1y+22
(3)由标定值求反非线性特性曲线拟合方程的系数C,C,C。按照最小
012
二乘法原则,即方差最小,即
3
[(CCyCy2)x]2F(C,C,C)最小
01Ri2RiRi012
i1
已知C,C,C数值后,反非线性特性拟合方程式即被确定,这时智能传
012
感器系统可由转换开关转向测量状态。因此,只要传感器系统在实时标定与测量
期间保持输出—输入特性不变,传感器系统的测量精度就决定于实时标定的精
度,其它任何时间特性的漂移带来的不稳定性都不会引入误差。

提高基本型双积分模/数转换精度的主要矛盾在于解决高增益直流运算放大
器的零漂上,所以目前生产的双积分式数字电压表仍采用比较复杂的直流运算放
大器。在一些四位板式数字电压表中,对所用的单片集成运算放大器也往往提出
较高的筛选要求。自动校零的双积分式模/数转换方案是针对解决直流运算放大
器零漂影响这一点提出来的。
10:.
新型传感器课题报告

它的逻辑特点是,在基本型双积分模/数转换系统进入采样阶段之前,先安
排一个自校零阶段,使系统转入闭环记忆零漂电压的状态,为补偿后续的采样与
回积阶段的零漂影响作好准备。
在自动校零阶段中,由逻辑控制系统保证,K2、K3和K0导通,K1、K4
和K5断开,K0导通后所形成的闭环是一负反馈系统,由于K1断开,K2通地,
,不仅使A1、A2和A3。各放
大器的零漂影响显著地减小,而且把补偿零漂的校零电压被记忆电容C2和积分
电容C1贮存起来。此系统的采样、回积和休止准备三个阶段的动作与基本型的
双积分模/数转换系统完全相似。
在自校零阶段中补偿漂移影响的方法:
假设积分器的各零漂因素归结为一个等效的输入漂移电压ε,缓冲放大器和
零放大器的零漂暂不考虑,。
11:.
智能传感器自校正、自校零与自校准技术

显然,因为ε的存在,将会导致,v′和v′。由于是深度的负反馈,在完
12
成很短的过渡过程之后,记忆电容C所贮存的电压必将起到抵消ε的作用。如
2
果认为A和A足够的大,则
12
从而使积分器的输出端漂移电压减小到接近于无穷小的程度,十分有效地克
服了积分漂移误差。另外,从负反馈回路的定量关系上推导,也可得出相似结论。
可见,记忆电容C两端的电压跟踪了ε的大小,相当于在积分器的同相输
2
入端引入了一个自动抵消零漂的校零电压。

“动态自校”原理,是提高数字仪表稳定性和精度的一种新方法,自前国内
外都正在大力探讨并逐渐广泛采用。
“动态自校”分“动态自校零”和“动态自校准”两种。其中“动态自校零”
又可用“模拟自校零”和“数字自校零”来实现。
数字自校零方法对零点漂移(简称零漂)的补偿效果更为理想,但线路复杂,
所用元件多,而模拟自校零方法电路简单,用的元件少,对于普遍大量使用的四
位数字电压表来说,完全可以收到预期的零漂补偿效果,因而具有经济的实用价
值。
用采样—保持技术消除零漂方案,属于三次采样技术之一。它是在双斜技术
12:.
新型传感器课题报告
的基础上,在每个测量周期中又引入一个第三状态—“零采样”阶段,用以消除
零漂,从而提高仪表的稳定性和测量精度。
采样-保持技术过程:1)零采样阶段。首先通过电容对所有非零信号成份即
零点漂移量进行采样,作为测量阶段和标准采样阶段时间内的“自我补偿”用;
2)测量阶段。此期间通过积分器对被测量作定时积分,检零器动作;3)标准采
样阶段。对信号进行定值积分;4)检零器状态维持阶段。积分器回积置零,检
零器动作,给出寄存信号,显示器显示测量值。
意义:在双积分式数字电压表基础上引入采样-保持技术,可以补偿双积分
式数字仪表中的三个重要漂移源(输入放大器、积分器、检零器)所引起的误差。
1)积分放大器漂移的影响。由于漂移是个缓慢变化量,所以在几百ms这么短的
一个测量周期内可视为不变,故可以认为可以完全自我抵消,即用此法可消除缓
慢变化的零漂;2)检零放大器漂移和输入放大器漂移的影响减小。也可以这样
说,降低了对模拟部份中三个单元漂移的要求。
实质:由上可见,模拟自校零方案的实质是,用闭环使在记忆电容Cg上记
存零漂电压,并把它作为一个共模电压加到一个具有高抗共模干扰能力的差动放
大器上,由于该差动放大器仅放大差模信一号,所以被放大的电压即是包含有漂
移电压的被测电压与漂移电压之差。
优点:提高了数字电压表的稳定性和测量精度;降低了对输入放大器、积分
放大器和检零放大器中所用元件指标要求,提高了元件的上机率,不但降低了成
本,而且便于成批生产;调试简单、方便。为使其体积小、成本低,本方案中用
结型场效应管长尾差分对作输入级,在应用了动态自校原理后,简化了调节温度
漂移的工作。
13:.
新型传感器课题报告
第四章自校准技术
进行自校准的目的,其一,不必将测试仪器仪表脱离原有的环境专门送至校
准机构进行校准,在误差精度满足的前提下,提高便利性,同时保证环境的一致
性;其二,某些电测仪器设备集成在大型设备中,不容易拆卸,若能够自校准,
将更加方便;其三,单片机等控制器及校准电路为自校准的实现成为了可能,可
实现自动化,不用进行人工校准。

计量学对校准的定义是“在规定的条件下,为确定测量仪器或测量系统所
指示的量值,或实物量具、标准物质所代表的量值,与对应的由测量标准所复
现的量值之间关系的一组操作。”该定义也明确了仪器仪表校准的几个关键点:
参考值,即测量标准;进行比对的操作;确定参考值和测量值之间的关系。而上
述几个关键点用单片机等嵌入式系统加以实现,就是仪器仪表的自校准。

校准的含义:在规定的条件下,用一个可参考的标准,对包括参考物质在内
的测量器具的特性赋值,并确定其示值误差。
自校准的实现校准的含义:将测量器具所指示或代表的量值,按照校准链将
其溯源到标准所复现的量值。
校准的目的:(1)确定示值误差,并可确定是否在预期的允差范围之内;(2)
得出标称值偏差的报告值,可调整测量器具或对示值加以修正;(3)给任何标尺
标记赋值或确定其他特性值,给参考物质特性赋值;(4)确保测量器给出的量值
准确,实现溯源性。(5)校准是在规定条件下进行的一个确定的过程,用来确定
已知输入值和输出值之间的关系的一个预定义过程的执行。

采用自校准的方式就是将上述“校准”的内容及目的用单片机控制系统进行
自动实现,以满足一定的误差要求。这要求在电测仪器中集成相应的校准参考值
及校准控制电路,并将校准得到的修正