淺談檢測系統的線性化處理

摘　要：檢測系統的組建要考慮的一個問題就是線性化及處理。基于此，淺析檢測系統非線性產生的原因，介紹對檢測系統和裝置輸出和輸入量之間非線性關系進行處理的幾種方法，以期在實際應用中優化檢測系統的性能、減小測量誤差。

關鍵詞：檢測系統；非線性；傳感器

中圖分類號：O4-34 文獻標志碼：A 文章編號：1000-8772（2012）19-0140-01

在工程測試中，力求測試結果能定性定量地表示出被測量，為了方便地標定和數據處理，便于檢測系統的制造、調校和使用，通常希望檢測系統有線性輸出。但是實際的檢測系統輸入輸出關系往往呈現出非線性特性，為了提高測量精度，增大測量范圍，減小讀數誤差，則有必要對檢測系統進行線性化處理。

1　傳感器的非線性誤差及其處理

傳感器是檢測系統的最前沿裝置，它的特性往往影響整個檢測系統的性能優劣，理想的傳感器輸入輸出關系是呈線性關系，但絕大部分傳感器的輸出量與被測量之間的關系是非線性的。造成非線性的原因主要有：（1）傳感器的轉換原理為非線性，例如：熱電偶測溫，其熱電勢與溫度之間的關系為非線性；熱電阻輸出的電阻變化量與溫度之間的關系為非線性；在流量檢測中，孔板輸出的差壓與流量之間也呈非線性。（2）傳感器結構參數等因素引起的非線性，例如：應變式傳感器測壓力時彈性元件的撓性模變引起的非線性；電感式傳感器，磁性材料的磁化曲線呈非線性等。（3）傳感器的間隙、松動、摩擦、蠕變以及外界條件的影響造成非線性。

為了得到較好的輸入—輸出線性關系，在傳感器的選用上應盡可能選取適合的轉換原理呈線性關系的傳感器。

適當減小測量范圍以提高測量系統的線性度，很多傳感器在全量程的測量中，輸入輸出特性曲線呈非線性，特別是在量程的較小和較大區域，非線性特性明顯。在情況允許的條件下，可取非線性曲線上線性比較好的一段，這種選取與檢測系統測量精度的要求有關，當精度要求不太高的情況下，可以在相當寬的范圍內都可近似為線性關系，精度要求越高，線性范圍越窄。當測量范圍與精度要求不可取舍的情況下，則可利用多傳感器進行非線性補償，例如在進行濕度測量時，為了擴大濕度測量范圍，將多個LiCl含量不同的濕敏電阻組合使用，將測量范圍分別為（10%～20%）RH、（20%～40%）RH、（40%～70%）RH、（70%～90%）RH、（80%～99%）RH這五個器件配合使用，就可自動轉換成整個濕度范圍的濕度測量；如磁敏二極管，其輸入輸出特性曲線在磁場正向與反向時不對稱，正向靈敏度大，反向時小，若采用特性相近的兩只磁敏二極管按相反磁極性組合，或采用磁敏對管，則磁場正、反向時特性曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。

目前，普遍利用校準數據來建立傳感器的數學模型，通常用實際測出的輸入—輸出校準曲線與某一直線的擬合程度來給出線性度，即非線性誤差。所以，這條擬合直線的選取不同，得到的非線性誤差也不同，擬合直線包括理論直線、端點連線擬合、端點平移擬合、過零旋轉擬合、最小二乘法擬合和最佳直線擬合等。要得到較好的線性關系，減小測量誤差，在傳感器的靜態標定時，選用的擬合直線十分重要，一般，選用能得到最小線性度的擬合直線為最佳擬合直線。

2　檢測電路中的非線性及線性化處理

在檢測系統中，為了把傳感器輸出的信號轉換成為有用的電信號，需要各種轉換電路，較常用的有電橋電路、放大電路、積分微分電路、濾波電路、u/I、i/U、U/F、F/U等轉換電路。轉換電路的輸入輸出關系的非線性將給傳感器系統帶來額外的非線性誤差，例如在應變式測力系統中，工程上為了使用方便，減小測量前的準備調試工作，提高測量效率，仍采用單臂測量電橋；轉換電路中二極管伏安特性的非線性；調頻、調相式電路輸出的非線性等。

一般在測量轉換電路的選取上，需要選用轉換特性呈線性、轉換靈敏度高的電路，采用半橋全橋測量電路來減小和消除非線性誤差；采用運算放大器式電路來消除單個變極距式電容傳感器的非線性。

在轉換關系為非線性的傳感器系統中，增加非線性補償環節，以改善檢測系統整體的非線性。線性化補償環節可用硬件實現也可用軟件實現，硬件補償目前常用的有二極管陣列開方器、各種對數、指數、三角函數運算放大器、非線性A/D轉換等，傳感器的專用線性化集成電路以及通用的線性化處理電路，下圖即為一種二次分段線性化通用電路。

隨著計算機技術與電子技術的融合，軟件實現線性化處理常用的方法有線性查值法、差表法、二次曲線插值法等方法，由軟件實現非線性的補償不存在硬件補償環節的電路復雜、調試困難、精度低、通用性差的特點，不需要再對改善每個環節的非線性特性而耗費精力，不論測量系統中任一測量環節的非線性多嚴重，均能自動地按對應的反非線性特性進行轉換，實現理想的輸入輸出理想的直線關系。

（責任編輯：張娟）