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温度测量中传感器的自动校正算法

温度测量中传感器的自动校正算法

作者:CEO 时间:2022-09-24 点击:0

信息摘要:摘要:温度传感器在一个个区段内的特性基本上是线性的。在使用一段时间以后,容易产生零点漂移和线性改变,本文介绍了采用计算机技术,利用软件的方法进行零点补偿和线性修正的原理、方法,并给出了数学模型和实例。该技术在以单片机为核心的智能仪表中可以广泛的采用。它能够降低产品的生产成本和使用、维护成本。

温度测量中传感器的自动校正算法

(温度测量中传感器的自动校正算法)

  摘要:温度传感器在一个个区段内的特性基本上是线性的。在使用一段时间以后,容易产生零点漂移和线性改变,本文介绍了采用计算机技术,利用软件的方法进行零点补偿和线性修正的原理、方法,并给出了数学模型和实例。该技术在以单片机为核心的智能仪表中可以广泛的采用。它能够降低产品的生产成本和使用、维护成本。

  1、引言

  仪表的维护、调校需要专业的人员进行。尤其是在需要调整仪表内部电位器的时候。这项工作除了需要操作人员具备一定的专业知识外,还要使用专用的专业测试、调整工具。社会生产、生活逐渐进入自动化的时代,这些原始的工作也应该随着技术的发展逐渐被自动化技术所代替。

  

  2、温度传感器的零点漂移和线性改变的原理

  以线性PN结温度传感器为例,我们把Δk称为线性漂移;把Δc称零点漂移。

  3、零点漂移和线性改变的误差

  传感器漂移后,影响了测量结果的精确度。根据漂移量可以计算出它的影响量。

  在整个量程的不同点上,这个误差的绝对值是不固定的,其最大值通常在量程的两端。

  4、漂移值的测定

  之所以出现漂移,其根本原因在于:传感器的信号输出值与开始的标定值出现了偏差,如果能确定当时状态下的结果,也就是y的值,那么测定的传感器输出值就是真实的x值。如果在量程内的两个点上(y1,y2),测出传感器的对应输出(x1,x2),就又得到了新的两个坐标点,利用这两个坐标,采用两点式方程,就会得到漂移以后的新的方程,这个方程是根据传感器的新输出而得出的正确的测量结果。

  5、解决零点漂移和线性改变的数学模型

  为切合实际,我们为传感器的输出值引入A/D转换器表示方式。也就是数字表达方式2。

  设测量系统的A/D转换器满量程为2n-1,n为A/D转换器的输出位数。

  设测量系统的量程为S,测量范围为:s1—s2,于是该系统的测量量程

  有了这个方程,对于任意x,总能计算出测量结果y。即形成符合方程⑻的(x,y)对应的坐标。

  在传感器发生漂移后,已知测量结果1,设为y1,如果x出现了变化,设为x+Δx=x1,我们就可以以(x1,y1)为一个坐标点,另以实测的(x2,y2)为另一个坐标点,使用两点式方程,得到方程⑴,整理后得方程⑵。

  就会利用重新建立的方程得到正确的结果。这个结果即是纠正了零点漂移和线性漂移以后的正确的结果。

  6、解决零点漂移和线性改变的实例

  6.1测定零点漂移,确定A组坐标

  将传感器放入冰桶中,理想状态下或者出厂校正后,应该为0℃,即y1=0,测得的传感器输出为x1,这样就得到了第一组坐标(x1,0)。

  6.2测量线性漂移,确定第二组坐标

  将标准水银温度计和传感器放在同一位置,这时水银温度计读书和实测值可能会有一个偏差,这时,传感器输出为x2,可有方程⑵逆算得出.在这里,k、c均为尚未校正时的方程参数。而y则为水银计的读数,记为y2。这是我们又得到了第二组坐标(x2,y2)。

  以上取得的两个坐标,是漂移后的传感器输出和实际测量值之间的关系,用两点式方程获得新的y和x之间的关系方程,作为今后测量的计算标准。

  8、成本分析

  8.1生产成本

  该校正技术使用纯软件计算的方法,和硬件无关。使用单片机或者计算机控制的智能仪器仪表,在硬件设计时会留有足够的程序存储空间,因此该成本已经包括到原来设计的系统中,可以不计算在内。唯一的成本就是软件设计成本,该软件可以用子程序的方式做成标准的模块,一旦设计完成,也几乎不存在生产成本。

  该类产品或系统如按照通常的技术进行设计,要在前置放大环节设置零点和量程调整电位器,而且必须是精密多圈电位器。采用自动校正技术后,可以省略掉电位器而直接用固定值的精密电阻代替,单纯从这个代换上计算,就一般的温度巡检系统而言会节约近6倍的材料成本。

  8.2使用成本

  仪器仪表维护时,要使用标准仪器测量,然后调整被测仪器仪表的内部电位器来校正漂移。但是,有些传感器的漂移量太大,即使调整电位器也不能让其达到规定的精度,这时只有更换传感器。有些传感器的安装位置和方式非常特殊,更换起来耗时较多,甚至还要停止正常的测量作业。采用自动校正技术,可以延长这些传感器的使用寿命3倍以上,大大降低了使用成本。

  9、结语

  对于压力、流量、物位等传感器,同样存在着零点漂移和线性改变的问题。该技术在与传感器的特性分析配合后,稍作改变即可以应用。另外,我们仅分析了线性系统的校正技术,对于非线性系统,同样也可以用修改数学模型的方法来进行漂移校正。

  单片机技术及嵌入式系统在工业检测与控制已经广泛应用,建议有必要把这个技术作为一个标准嵌入到这些微系统中。

  在一些不便于频繁更换传感器的场合,会增加系统的运行可靠性。例如,在易燃易爆品仓库,可以避免很多危险的发生。

  这种校正仍然需要冰桶和水银温度计,今后是否可以考虑在有些仪器仪表内部设置标准源,进行无外界干预的、全自动的校正,需要进行继续的研究、实践。

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