傳感器模擬信號(hào)非線性修正及溫度補(bǔ)償自適應(yīng)算法

摘 要：本文給出了一種傳感器模擬信號(hào)分段非線性修正及多溫區(qū)溫度補(bǔ)償自適應(yīng)算法，并繪出軟件實(shí)現(xiàn)的流程框圖，通過該算法可以提高傳感器輸出的非線性指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)全溫區(qū)溫度補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：傳感器模擬信號(hào)；分段標(biāo)定；非線性修正；多溫區(qū)溫度補(bǔ)償

理想載荷傳感器在滿量程范圍內(nèi)模擬輸出信號(hào)的非線性應(yīng)該趨近于零，并不受溫度影響，但在實(shí)際工作中，受生產(chǎn)工藝、制造材料等影響，傳感器的模擬輸出信號(hào)的實(shí)際非線性較大，且在不同的溫度環(huán)境下工作，同一載荷條件下，由于環(huán)境溫度的不同其輸出的模擬信號(hào)也不同，如果忽略溫度對(duì)傳感器的影響而采用常規(guī)的信號(hào)處理方法進(jìn)行處理，得到的結(jié)果與實(shí)際情況相比可能存在有較大誤差。在這種情況我們提出了傳感器模擬信號(hào)多溫區(qū)分段線性修正自適應(yīng)算法。該算法通過多溫區(qū)補(bǔ)償修正溫度對(duì)傳感器輸出特性的影響，多段非線性修正算法的實(shí)現(xiàn)，使得測(cè)量值盡可以的趨近真實(shí)值，通過這種方法，提高傳感器輸出信號(hào)的非線性指標(biāo)，降低溫度多傳感器輸出的影響，提高稱量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度，降低系統(tǒng)測(cè)量誤差。

一、工作原理

模擬信號(hào)多溫區(qū)分段修正自適應(yīng)算法含以下三方面的內(nèi)容：

第一：溫區(qū)的劃分：通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：同一載荷條件下在一定溫度變化范圍內(nèi)傳感器輸出的模擬信號(hào)收溫度影響較小，可以忽略不計(jì)，在此情況下提出溫區(qū)的概念，同一載荷條件下在同一溫度范圍內(nèi)傳感器輸出信號(hào)變化很小，將這一溫度范圍劃分為一個(gè)溫區(qū)，在該溫區(qū)內(nèi)傳感器模擬輸出信號(hào)基本不變。可利用高低溫箱將傳感器工作的全溫度范圍分為多個(gè)溫區(qū)。在不同的溫區(qū)內(nèi)同一載荷條件下傳感器輸出基本不受溫度影響。

第二：同溫區(qū)分段標(biāo)定：由于傳感器在同一溫區(qū)內(nèi)同一載荷條件下輸出基本不受溫度影響，我們可以在同一溫區(qū)內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行分段修正，在傳感器量程范圍內(nèi)，對(duì)傳感器施加不同載荷，記錄傳感器的加載載荷值及輸出模擬信號(hào)值、繪制傳感器模擬信號(hào)輸出曲線，根據(jù)輸出曲線的實(shí)際情況，將曲線劃分成若干直線段，劃分的依據(jù)為直線段盡可能的逼近真實(shí)曲線，找出這些直線段的端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷值并記錄，利用標(biāo)定軟件對(duì)傳感器在這些點(diǎn)上進(jìn)行加載標(biāo)定，并存儲(chǔ)標(biāo)定參數(shù)；這樣在傳感器工作的每個(gè)溫區(qū)內(nèi)都有一個(gè)分段標(biāo)定的參數(shù)區(qū)。

第三：多溫區(qū)分段修正算法的實(shí)現(xiàn)：對(duì)一個(gè)已經(jīng)多溫區(qū)分段修正的傳感器而言，CPU每采集一個(gè)有效的傳感器輸出的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)的同時(shí)也采集了當(dāng)前環(huán)境溫度值，CPU根據(jù)采集的溫度值確認(rèn)當(dāng)前傳感器所處溫區(qū)，嵌入式軟件提取該溫區(qū)傳感器的標(biāo)定參數(shù)段，根據(jù)AD轉(zhuǎn)換的內(nèi)碼值確定線性運(yùn)算的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行線性運(yùn)算得出實(shí)際載荷值。

一般的傳感器精度大約為0.1%—0.05%，期望將達(dá)到的標(biāo)定后的傳感器精度達(dá)到0.02%。下圖所示為同一溫區(qū)多段非線性修正曲線；根據(jù)傳感器的輸出特性將傳感器的輸出曲線分六點(diǎn)分段標(biāo)定修正。

注：曲線1為理想的兩點(diǎn)標(biāo)定修正曲線；

曲線2為為分段修正曲線；

曲線3為傳感器信號(hào)線；

由上圖可知：如果按照傳統(tǒng)的兩點(diǎn)標(biāo)定方法，傳感器的模擬信號(hào)曲線與理想的信號(hào)曲線之間的誤差較大，如果采用多段分段修正，使多段分段修正曲線盡量靠近真實(shí)的傳感器信號(hào)曲線，可以大大降低測(cè)量誤差。分段修正算法的計(jì)算公式：Fn=Ks*（Mn-1+（Mn—Mn-1）/（Xn—Xn-1）*（T—Xn-1））

其中：Fn：當(dāng)前稱量值

Mn：第n段標(biāo)定砝碼值

Xn：第n段重量標(biāo)定內(nèi)碼值

Mn：第n-1段標(biāo)定砝碼值

Xn：第n-1段重量標(biāo)定內(nèi)碼值

T：當(dāng)前測(cè)量重量?jī)?nèi)碼值

Ks：傳感器靈敏度系數(shù)

實(shí)現(xiàn)多溫區(qū)分段修正算法前需完成以下工作：

（1）利用高低溫箱對(duì)傳感器加熱，調(diào)節(jié)高低溫箱溫度，觀察同一載荷不同溫度下傳感器輸出模擬信號(hào)的變化情況；記錄該溫度下傳感器信號(hào)變化情況。

（2）在實(shí)驗(yàn)溫區(qū)全范圍內(nèi)找出受溫度影響基本一致的溫度區(qū)間，并記錄該溫度范圍；將全實(shí)驗(yàn)溫區(qū)分為多個(gè)溫度區(qū)間。

（3）在每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)傳感器實(shí)現(xiàn)分段標(biāo)定。并將標(biāo)定參數(shù)存儲(chǔ)于標(biāo)定參數(shù)區(qū)。

在完成以上的工作后，多溫區(qū)分段非線性修正算法實(shí)現(xiàn)如下：

（1）在硬件系統(tǒng)的支持下，采集系統(tǒng)開始工作，采集傳感器模擬信號(hào)及溫度信號(hào)。

（2）根據(jù)溫度值查找當(dāng)前當(dāng)前溫度值所處溫度區(qū)間。

（3）根據(jù)查找的溫度區(qū)間提取該溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)標(biāo)定參數(shù)。

（4）根據(jù)標(biāo)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)多溫區(qū)分段非線性修正。

三、軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

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[作者簡(jiǎn)介]趙中兵（1974.03-），男，陜西漢中人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：硬件電路設(shè)計(jì)及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；李曉（1987.03-），女，陜西西安人，大專，研究方向：軟件開發(fā)。