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传感器非线性补偿处理

时间:2015-10-31 21:28来源:www.eadianqi.com 编辑:自动控制网
在机电一体化测控系统中,特别是需对被测参量进行显示时,总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系,使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致,以便于读数及对系统进行分析处理。但是,很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非

    在机电一体化测控系统中,特别是需对被测参量进行显示时,总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系,使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致,以便于读数及对系统进行分析处理。但是,很多检测元件如热敏电阻、光敏管、应变片等具有不同程度的非线性特性,这使较大范围的动态检测存在着很大的误差。以往在使用模拟电路组成检测回路时,为了进行非线性补偿,通常用硬件电路组成各种补偿回路,如常用的信息反馈式补偿回路使用对数放大器、反对数放大器;应变测试中的温度漂移采用桥式补偿电路等,这不但增加了电路的复杂性,而且也很难达到理想的补偿。这种非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成,其补偿过程较简单,精确度也很高,又减少了硬件电路的复杂性。在完成了非线性参数的线性化处理以后,要进行工程量转换,即标度变换,才能显示或打印带物理单位(如℃)的数值。其框图如图1。

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图1 数字量非线形校正框图

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    下面介绍非线性软件处理方法。

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    用软件进行“线性化”处理,方法有三种:计算法、查表法和插值法。

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    1、计算法 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    当输出电信号与传感器的参数之间有确定的数字表达式时,就可采用计算法进行非线性补偿。即在软件中编制一段完成数字表达式计算的程序,被测参数经过采样、滤波和标度变换后直接进入计算机程序进行计算,计算后的数值即为经过线性化处理的输出参数。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    在实际工程上,被测参数和输出电压常常是一组测定的数据。这时如仍想采用计算法进行线性化处理,则可应用数字上曲线拟合的方法对被测参数和输出电压进行拟合,得出误差最小的近似表达式。

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    2、查表法 本文来自www.eadianqi.com

    在机电一体化测控系统中,有些参数的计算是非常复杂的,如一些非线性参数,它们不是用一般算术运算就可以算出来的,而需要涉及到指数、对数、三角函数,以及积分、微分等运算,所有这些运算用汇编语言编写程序都比较复杂,有些甚至无法建立相应的数学模型。为了解决这些问题,可以采用查表法。 本文来自www.eadianqi.com

    所谓查表法,就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格,查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果,查出最终所需要的结果。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    查表是一种非数值计算方法,利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工作。它具有程序简单、执行速度快等优点。表的排列不同,查表的方法也不同。查表的方法有:顺序查表法,计算查表法,对分搜索法等。下面只介绍顺序查表法。顺序查表法是针对无序排列表格的一种方法。因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规律,所以只能按照顺序从第一项开始逐项寻找,直到找到所要查找的关键字为止。如在以DATA为首地址的存储单元中,有一长度为100个字节的无序表格,设要查找的关键字放在HWORD单元,试用软件进行查找,若找到,则将关键字所在的内存单元地址存于R2、R3寄存器中,如未找到,将R2、R3寄存器清零。 本文来自www.eadianqi.com

    由于待查找的是无序表格,所以只能按单元逐个搜索,由此可画出程序流程图,如图2所示。

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图2 顺序查表法程序流程图

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    顺序查表法虽然比较“笨”,但对于无序表格和较短的表而言,仍是一种比较常用的法。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    3、插值法 本文来自www.eadianqi.com

    查表法占用的内存单元较多,表格的编制比较麻烦。所以在机电一体化测试系统中我们也常利用微机的运算能力,使用插值计算法来减少列表点和测量次数。 本文来自www.eadianqi.com

    1)插值原理 本文来自www.eadianqi.com

    设某传感器的输出特性曲线(例如电阻-温度特性曲线),如图3所示。

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图3 分段先行插值原理 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    由图4-53可以看出,当已知某一输入值xi以后,要想求出值yi并非易事,因为其函数关系式y=f(t)并不是简单的线性方程。为使问题简化,可以把该曲线按一定要求分成若干段,然后把相邻两分段点用直线连起来(如图中虚线所示),用此直线代替相应的各段曲线,即可求出输入值x所对应的输出值y。例如,设x在()之间,则其对应的逼近值为

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    将上式进行化简,可得

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        (2)

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    和

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        (3) 本文来自www.eadianqi.com

    其中为第i段直线的斜率

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    式(2)是点斜式直线方程,而式(3)为截矩式直线方程。上两式中,只要n取得足够大,即可获得良好的精度。

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    2)插值的计算机实现

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    下边以点斜式直线方程(2)为例,讲一下用计算机实现线性插值的方法。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    第一步,用实验法测出传感器的变化曲线y=f(x)。为准确起见,要多测几次,以便求出一个比较精确的输入/输出曲线。 本文来自www.eadianqi.com

    第二步,将上述曲线进行分段,选取各插值基点。为了使基点的选取更合理,不同的曲线采用不同的方法分段。主要有两种方法: 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    ①等距分段法 本文来自www.eadianqi.com

    等距分段法即沿x轴等距离地选取插值基点。这种方法的主要优点是使式(1)中的常数,因而使计算变得简单。但是函数的曲率和斜率变化比较大时,会产生一定的误差;要想减少误差,必须把基点分得很细,这样势必占用较多的内存,并使计算机所占用的机时加长。

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    ②非等距分段法 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    这种方法的特点是函数基点的分段不是等距的,通常将常用刻度范围插值距离划分小一点,而使非常用刻度区域的插值距离大一点,但非等值插值点的选取比较麻烦。

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    第三步,确定并计算出各插值点值及两相邻插值点间的拟合直线的斜率是,并存放在存储器中。

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    第四步,计算x-

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    第五步,找出x所在的区域(),并取出该段的斜率是

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    第六步,计算 (x-)。 本文来自www.eadianqi.com

    第七步,计算结果y=+(x-)。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有

    程序框图见图4。

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图4 先行插值计算程序流程图

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    对于非线性参数的处理,除了前边讲过的查表法和插值法以外,还有许多其他方法,如最小二乘拟合法、函数逼近法、数值积分法等。对于机电一体化测控系统来说,具体采用哪种方法来进行非线性计算机处理,应根据实际情况和具体被测对象要求而定。

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