溫度測量中傳感器的自動(dòng)校正算法

溫度測量中傳感器的自動(dòng)校正算法

　　摘要：溫度傳感器在一個(gè)個(gè)區段內的特性基本上是線(xiàn)性的。在使用一段時(shí)間以后，容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移和線(xiàn)性改變，本文介紹了采用計算機技術(shù)，利用軟件的方法進(jìn)行零點(diǎn)補償和線(xiàn)性修正的原理、方法，并給出了數學(xué)模型和實(shí)例。該技術(shù)在以單片機為核心的智能儀表中可以廣泛的采用。它能夠降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和使用、維護成本。

　　1、引言

　　儀表的維護、調校需要專(zhuān)業(yè)的人員進(jìn)行。尤其是在需要調整儀表內部電位器的時(shí)候。這項工作除了需要操作人員具備一定的專(zhuān)業(yè)知識外，還要使用專(zhuān)用的專(zhuān)業(yè)測試、調整工具。社會(huì )生產(chǎn)、生活逐漸進(jìn)入自動(dòng)化的時(shí)代，這些原始的工作也應該隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展逐漸被自動(dòng)化技術(shù)所代替。

　　2、溫度傳感器的零點(diǎn)漂移和線(xiàn)性改變的原理

　　以線(xiàn)性PN結溫度傳感器為例，我們把Δk稱(chēng)為線(xiàn)性漂移；把Δc稱(chēng)零點(diǎn)漂移。

　　3、零點(diǎn)漂移和線(xiàn)性改變的誤差

　　傳感器漂移后，影響了測量結果的精確度。根據漂移量可以計算出它的影響量。

　　在整個(gè)量程的不同點(diǎn)上，這個(gè)誤差的絕對值是不固定的，其最大值通常在量程的兩端。

　　4、漂移值的測定

　　之所以出現漂移，其根本原因在于：傳感器的信號輸出值與開(kāi)始的標定值出現了偏差，如果能確定當時(shí)狀態(tài)下的結果，也就是y的值，那么測定的傳感器輸出值就是真實(shí)的x值。如果在量程內的兩個(gè)點(diǎn)上（y1,y2），測出傳感器的對應輸出（x1,x2），就又得到了新的兩個(gè)坐標點(diǎn)，利用這兩個(gè)坐標，采用兩點(diǎn)式方程，就會(huì )得到漂移以后的新的方程，這個(gè)方程是根據傳感器的新輸出而得出的正確的測量結果。

　　5、解決零點(diǎn)漂移和線(xiàn)性改變的數學(xué)模型

　　為切合實(shí)際，我們?yōu)閭鞲衅鞯妮敵鲋狄階/D轉換器表示方式。也就是數字表達方式2。

　　設測量系統的A/D轉換器滿(mǎn)量程為2n-1，n為A/D轉換器的輸出位數。

　　設測量系統的量程為S，測量范圍為：s1—s2，于是該系統的測量量程

　　有了這個(gè)方程，對于任意x，總能計算出測量結果y。即形成符合方程⑻的（x，y）對應的坐標。

　　在傳感器發(fā)生漂移后，已知測量結果1，設為y1，如果x出現了變化，設為x+Δx=x1，我們就可以以（x1，y1）為一個(gè)坐標點(diǎn)，另以實(shí)測的（x2，y2）為另一個(gè)坐標點(diǎn)，使用兩點(diǎn)式方程，得到方程⑴，整理后得方程⑵。

　　就會(huì )利用重新建立的方程得到正確的結果。這個(gè)結果即是糾正了零點(diǎn)漂移和線(xiàn)性漂移以后的正確的結果。

　　6、解決零點(diǎn)漂移和線(xiàn)性改變的實(shí)例

　　6.1測定零點(diǎn)漂移，確定A組坐標

　　將傳感器放入冰桶中，理想狀態(tài)下或者出廠(chǎng)校正后，應該為0℃，即y1=0，測得的傳感器輸出為x1，這樣就得到了第一組坐標（x1,0）。

　　6.2測量線(xiàn)性漂移，確定第二組坐標

　　將標準水銀溫度計和傳感器放在同一位置，這時(shí)水銀溫度計讀書(shū)和實(shí)測值可能會(huì )有一個(gè)偏差，這時(shí)，傳感器輸出為x2，可有方程⑵逆算得出.在這里，k、c均為尚未校正時(shí)的方程參數。而y則為水銀計的讀數，記為y2。這是我們又得到了第二組坐標（x2,y2）。

　　以上取得的兩個(gè)坐標，是漂移后的傳感器輸出和實(shí)際測量值之間的關(guān)系，用兩點(diǎn)式方程獲得新的y和x之間的關(guān)系方程，作為今后測量的計算標準。

　　8、成本分析

　　8.1生產(chǎn)成本

　　該校正技術(shù)使用純軟件計算的方法，和硬件無(wú)關(guān)。使用單片機或者計算機控制的智能儀器儀表，在硬件設計時(shí)會(huì )留有足夠的程序存儲空間，因此該成本已經(jīng)包括到原來(lái)設計的系統中，可以不計算在內。唯一的成本就是軟件設計成本，該軟件可以用子程序的方式做成標準的模塊，一旦設計完成，也幾乎不存在生產(chǎn)成本。

　　該類(lèi)產(chǎn)品或系統如按照通常的技術(shù)進(jìn)行設計，要在前置放大環(huán)節設置零點(diǎn)和量程調整電位器，而且必須是精密多圈電位器。采用自動(dòng)校正技術(shù)后，可以省略掉電位器而直接用固定值的精密電阻代替，單純從這個(gè)代換上計算，就一般的溫度巡檢系統而言會(huì )節約近6倍的材料成本。

　　8.2使用成本

　　儀器儀表維護時(shí)，要使用標準儀器測量，然后調整被測儀器儀表的內部電位器來(lái)校正漂移。但是，有些傳感器的漂移量太大，即使調整電位器也不能讓其達到規定的精度，這時(shí)只有更換傳感器。有些傳感器的安裝位置和方式非常特殊，更換起來(lái)耗時(shí)較多，甚至還要停止正常的測量作業(yè)。采用自動(dòng)校正技術(shù)，可以延長(cháng)這些傳感器的使用壽命3倍以上，大大降低了使用成本。

　　9、結語(yǔ)

　　對于壓力、流量、物位等傳感器，同樣存在著(zhù)零點(diǎn)漂移和線(xiàn)性改變的問(wèn)題。該技術(shù)在與傳感器的特性分析配合后，稍作改變即可以應用。另外，我們僅分析了線(xiàn)性系統的校正技術(shù)，對于非線(xiàn)性系統，同樣也可以用修改數學(xué)模型的方法來(lái)進(jìn)行漂移校正。

　　單片機技術(shù)及嵌入式系統在工業(yè)檢測與控制已經(jīng)廣泛應用，建議有必要把這個(gè)技術(shù)作為一個(gè)標準嵌入到這些微系統中。

　　在一些不便于頻繁更換傳感器的場(chǎng)合，會(huì )增加系統的運行可靠性。例如，在易燃易爆品倉庫，可以避免很多危險的發(fā)生。

　　這種校正仍然需要冰桶和水銀溫度計，今后是否可以考慮在有些儀器儀表內部設置標準源，進(jìn)行無(wú)外界干預的、全自動(dòng)的校正，需要進(jìn)行繼續的研究、實(shí)踐。