基于MATLab的傳感器精度校準方法

2016-12-01 05:22:20

西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065

一、緒論

目前，市面上存在的壓力傳感器種類繁多，為保證傳感器某些方面的性能完整，如在測量液體壓力時，必須考慮液體的密封性，在考慮密封性的前提下，設計上肯定會使部分壓力沿管壁流失，從而導致傳感器精度下降[1]。

如ELE型號的壓力傳感器，其利用半導體硅的壓阻效應，實現壓力與電信號轉換（如圖1），但被測壓力是通過不銹鋼膜片、硅油、以及敏感芯片進行傳遞，通過多層傳遞，壓力在傳遞中的損失量無法得知，且如果被測介質為溫敏介質，也會對精度產生影響。

本文主要以ELE壓力傳感器為例，介紹一種能顯著降低自身設計缺陷和外界溫度影響的壓力傳感器校準方法。

通常壓力傳感器是由主傳感壓力傳感器和輔傳感溫度傳感器共同進行工作的，主傳感器進行主要的壓力測量工作，而溫度傳感器測量主傳感器的工作環境溫度，對主傳感器進行溫度自補償。

本文介紹的工作原理如圖2所示。將已進行標定的傳感器數據收集完成后，利用模塊自帶的二維算法將原始數據全部進行整合，運算出主參數和輔參數對應二維線性系數，生成主輔信號計算公式，使計算結果更加擬合真實結果[2]。其主要操作步奏如下：

第一步：實驗標定

在壓力傳感器的有效范圍內確定m個壓力標定點，同樣在工作溫度范圍內確定n個溫度標定點，由標準值發生器產生對應各個點的標準輸出值，可得到m×n組標定數據，繪制表格并做記錄。

第二步：回歸校準

通過回歸方程p=a+bU+cU2+dU3+eU4+fU5+ε與第一步所得數據組成矩陣方程，根據已知數據逆推出方程各項系數。

第三步：融合計算

根據已求得的各項系數，確定適合的回歸方程，將該回歸方程寫入傳感器軟件部分，測量即可實現校準功能。

適用于溫敏介質在不同溫度環境下工作時，本身存在設計誤差的壓力傳感器的精度校準，提高工作精度，減少工作時間，提高工作效率，可廣泛應用于對溫度較為敏感的工業、農業、服務業等相關機械中的單片機控制的壓力傳感器的數據校準。

本程序以溫度與壓力傳感器的原始標定數據為基礎，通過回歸融合的方法[3]，將某一干擾的影響降低，使獲得數據更加真實可靠，具體程序如下：

主傳感器壓力傳感器其輸入為P，輸出為up，輔傳感器溫度傳感器輸入為T，輸出為ut，傳感器工作溫度在21.5°C～70 °C，選定6個不同的溫度，測定壓力傳感器的靜態特征[4]，再將壓力P同樣在量程范圍里取6個值。如表1所示。

利用本模塊計算壓阻傳感器在不同溫度影響下所得數據，與通過普通一維定量計算所得數據進行對比[5]。

由MATLab模塊計算可得數據如表2所示。

表1 傳感器靜態數據標定表

表2 MATLab模塊計算數據表

在最大誤差處求取線性度可得：

再由傳統一維計算可得數據如表3所示。

表3 傳統一維計算數據表

在最大誤差處求取線性度可得：

由兩種方法求得線性度明顯可以看出用MATLab求出的數據線性度精度明顯高于傳統方式求得的數據，而且用模塊計算該類問題大大節省了計算時間，只需改變模塊中對應參數變量，即可迅速獲得數據，大大提高工作效率。

實驗數據表明這種基于MATLab的精度校準算法能夠明顯提高數據線性度，在應用于傳感器測量技術中，可明顯達到提高測量精度的效果。