自校零和自校准技术(修改后)

1、燕山大学新型传感器课题报告 智能传感器的自校正、自校零 与自校准技术题 目 _小组成员：程 琪 S16080401001 胡玉伟 S16080401002 华 露 S16080401003 马双娜 S16080401004 13精密仪器及机械电气工程学院_学院 _专业_班201714_年 _月 _日目录摘要III第一章 引言1第二章 非线性自校正技术22.1 传感器非线性校正的原因22.2 非线性的线性化校正22.2.1 硬件电路实现非线性特征的线性化32.2.2 软件方法实现非线性特征的线性化42.3 总结7第三章 自校零技术83.1自校零的原因83.2传感器的实时在线自校准83.2.1实时

2、测量零点83.2.2线性系统93.2.3非线性系统103.2.4自动校零的双积分式模数转换及其逻辑设计102.2.5动态自校零在数字仪表中应用12第四章 自校准技术144.1自校准定义144.2校准的含义及自校准的实现校准的含义144.3自校准技术的原理144.4自校准技术的应用154.4.1 自校准技术在 VXI总线D/A模块中的应用164.4.2 在航天航空领域的应用164.4.3 传感器实时自校准16参考文献17I摘要 本文介绍了传感器的几种非线性校正技术方法以及自校准与自校零技术的原理；论述了实时在线校准技术的实现方法，从校准的定义出发，引申出了仪器仪表自校准的概念，并对自校准实现的基

3、本原理和过程进行了分析。关键词：传感器；非线性校正；自校零技术；自校准技术1新型传感器课题报告第一章 引言伴随着在互联网网全球化的推动下的科技进步，对传感器进行智能化设计越来越成为所需，智能化方法也得到了相应的发展。根据传感器技术的发展，将传感器智能化按其功能分为以下几个阶段：1) 初级智能化。仅具有改善非线性误差，消除噪声影响，提高精度的功能。2) 自立智能化。增加了自我诊断，自我校正等自我调节功能，具有就地处理，适应环境的能力。3) 高级智能化。具有多维检测，特征检测，图像显示和图像识别等功能，具有分析记忆，模式识别，自学习甚至思维能力。本文就传感器的非线性校正技术，自校零技术和自校准技术

4、进行论述。通过对这方面的了解与学习，希望可以在现有的技术水平上进行改进，使其有更好的性能，能更准确地工作，更好地为我们所用。第二章 非线性自校正技术测量系统的线性度（非线性误差）是影响系统精度的重要指标之一。智能传感器系统具有非线性自动校正功能，可以消除整个传感器系统的非线性系统误差，提高测量精度。与经典传感器技术不同的是，智能化非线性自动校正技术是通过软件来实现的。它不在乎测量系统中任一测量环节具有多么严重的非线性特性，也不需要再对改善测量系统中每一个测量环节的非线性特性而耗费精力，只要求他们的输入-输出特性具有重复性。2.1 传感器非线性校正的原因传感器就是一种以一定的精确度将被测物理量(

5、如位移、力、加速度等)转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。狭义地定义为：能把外界非电信号转换成电信号输出的机器或装置。传感器的作用就是把光、声音、温度等各种物理量转换为电子电路能处理的电压或电流信号。理想传感器的输入物理量与转换信号量呈线性关系，线性度越高，则传感器的精度越高，反之，传感器的精度越低。在自动检测系统中，我们总是期望系统的输出与输入之间为线性关系，但在工程实践中，大多数传感器的特性曲线都存在一定的非线性度(有时又称为线性度与积分线性度)误差，另外，非电量转化电路也会出现一定的非线性。传感器非线性特性产生的原因从传感器的变换原理可以看出，利用

6、各类传感器把物理量转换成电量时，大多数传感器的输出电量与被测物理量之间的关系都存在一定的非线性，这是数据采集系统产生非线性特性的主要原因，其次是变换电路的非线性。2.2 非线性的线性化校正非线性校正方法分别从硬件和软件两方面给出了校正的方法，并对硬件、软件校正的优缺点做出了总结，即非线性的线性化校正采用何种方法，要根据实际应用的要求来确定。2.2.1 硬件电路实现非线性特征的线性化1) 敏感元件特性的线性化敏感元件是非电量检测的感受元件，它的非线性对后级影响很大，我们应尽量使它线性化。如用热敏电阻测量，热敏电阻Rt与t的关系是： Rt=Aexp(B/T) （1）式中，T=273+t，t为摄氏温

7、度;A，B均为与材料有关的常数，显然Rt与t呈非线性，我们可以采用一个附加线性电阻与热敏电阻并联，所形成的并联等效电阻Rp与t有近似线性关系，如图1，Rp的整段曲线呈S形。电路并联的电阻R可由(3)式确定。 （2） （3）图1 并联等效电阻曲线其中RA、RB、RC是热敏电阻在低温，中温和高温下的电阻值。2) 折线逼近法将传感器的特性曲线用连续有限的直线来代替，然后根据各转折点和各段直线来设计硬件电路，这就是最常用折线逼近法。转折点越多，各段直线就越逼近曲线，精度也就越高，但太多了就会因为线路本身误差而影响精度，所以转折点的选取与要求的精度和线路有密切的联系，在实际应用中，应采取具体问题具体分析

8、的办法。3) 小结此外，采用硬件方法校正中还有抛物线逼近法、线性提升法、测量桥电路线性化等等。总之，硬件方法校正，因为其本身需要采用较多的硬件电路，在实际中做到完全校正是很困难的。随着计算机技术的广泛应用，特别是单片机的迅速发展，在数据采集系统中用软件(程序)进行非线性校正得到了越来越广泛的应用。2.2.2 软件方法实现非线性特征的线性化传统的软件非线性校正方法主要有反函数法、查表法、分段内插法、样条函数内插法和曲线拟合法。而近几年出现了几种新的校正方法如遗传算法、神经网络算法、支持向量机方法。下面就做反函数法，查表法和神经网络算法做简单介绍。1) 反函数法图2a是一个被控物理对象，其输出物理

9、量y和输入控制量x之间有非线性函数关系y=f(x)。如果将这个客观非线性物理过程强制性拟合成某一线性过程y=ax+b，则将产生非线性误差。例如，为使被控对象输出y，按被控对象本身特性函数y=f(x)，应加控制量xl，但由于过程被拟合成线性函数y=ax+b实施控制，据此给出的输入控制量将不是xl，而是x2，因此实际输出将不是y1，而是y2，产生偏差。y=y2-y1，降低控制精度，在闭环控制时将降低系统动态控制品质。为依据物理过程本身实际规律校正非线性，可求出函数y=f(x)的反函数x=(y)，构成反函数发生器，如图2b所示。该反函数发生器将可由给定目标值y得到应施加的控制量x。例如，为使被控对象

10、输出y1，由反函数发生器可得到应施加的控制量为xl。因此，如图2c，只要在被控对象输入端前加一级反函数发生器x=(y)，系统将根据输入目标值按照被控对象本身物理过程由反函数发生器产生对应的控制量，施加于被控对象，从而得到与输入目标值相一致的输出。系统输出y与输入y之间成为线性关系:y=f(x)=f(y)= y系统不再是一个近似线性模型，而是一个精确的与实际系统相一致的线性系统模型。图2 反函数法非线性校正反函数发生器在有测量反馈条件的计算机闭环控制系统中是容易实现的，它可以通过对被控对象函数关系的测量求取其反函数，编制反函数表得到。采用计算机查表法的反函数发生器具有极快的响应速度，而且由于系统

11、消除了一次近似时的非线性误差，因而使得系统具有更好的动态精度和动态控制质量。2) 查表法查表法也就是根据A/D的转换精度要求把测量范围内参数划分成若干等分点，然后由小到大按顺序计算出这些等分点相对应的输出数值，这些等分点和其对应的输出的数据就组成了一张表，把这张数据表存放在存贮区中。软件处理方法是在程序中编制一个查表程序，当被测参数经过采样等转换后，通过查表程序直接从数据表中查出相对应的输出参数值。如图3与表1所示，压力P(020MPa)，电压V(2002200mV)P为步长，n为点数(n=Pmax/P)，即存储长度。建表方法是P以0压力为基址，点数n为长度，每个压力点的压力值都是等步长P的整

12、数倍，每个压力点与对应的电压值组成一对数据，一共有(n+1)个这样的数据对，将其制成一个表格，以便查询。显然n越大，精度越高，比如，取n值为2000，则P=Pmax/n=0.01(MPa/mV)，但是表格制作比较麻烦，查表比较费时间，而且数据表格要占用相当多的内存;如果n值太小，比如n值为20，则P=Pmax/n=1(MPa/mV)，精度就难以达到要求，表格很容易失去作用。所以在制作表格时，n的值要根据实际应用情况来确定。另外，在一种测试环境下制作的表格，在另一种环境下不一定能够适应，如温度的变化，关键是抑制温漂。图3 表格划分表1 表格划分的对应取值表3) 神经网络算法一个传感器系统可表示为

13、y=f(x,t)，其中, y为传感器的输出量;x为传感器的输入量; t为影响传感器的非线性因素(x, t可以是一维行向量。用来表示多个输入量和多个外界非线性因素)。目的是根据测得y求得未知的x,即x= g(y, t)。神经网络的研究对消除和补偿传感器系统的非线性特性提供了一种新方法,如图4所示。图4 非线性校正传感器输出y通过一个补偿逆模型,模型的特性函数为p= kx= kg(y, t),其中,p为非线性补偿后的输出;k为常数,很显然g(*)也是一个非线性函数,使补偿后的传感器具有理想特性。在实际应用中,非线性函数g(*)的表达式难以准确求出,但可以通过建模来实现,补偿模型的建立就成了校正传感

14、器非线性特性的关键。人工神经网络具有处理非线性优化问题的能力,其中,BP网络强大的非线性映射能力和泛化功能,使任意连续的非线性函数(如传感器逆模型)和映射均可采用三层网络建模加以实现。2.3 总结总之线性化校正的价值在于提高精度,提高传感器的生产成品率。由上,我们可以看出用软件进行线性化处理,不论采用哪种方法,都要花费一定的程序运行时间。特别是在实时测试和控制系统中,如果系统处理的问题很多,实时性要求很强,选用硬件进行线性化处理是合适的。但是如果控制系统的时间够用时,采用软件处理就可以大大简化硬件电路。用软件代替硬件进行线性化处理,它省去了复杂的非线性硬件电路,降低了系统的成本;而且它能发挥计

15、算机智能作用,提高了检测的准确性和精度;尤其,利用线性插值法,将实际曲线用直线段近似逼近,通过近似公式计算,如果折线的段数取得合适,可以达到比较高的精确度,并且,计算方法也比较简单;还有,适当改变软件的内容,就可以对不同传感器或转换电路进行补偿。总之,传感器的非线性处理方法应根据系统的具体情况全面考虑再作决定。15第三章 自校零技术在传感器的测量过程中，由于仪器内部器件的零点偏移及其温漂，即使零输入时也有输出读数，产生测量误差。3.1自校零的原因因为仪器存在误差且误差很可能随环境而变化，所以就需要设计一种自校正装置，使得传感器的参数发生漂移时能够实现自我的补偿与校准，从而使得测量结果更加精确。

16、以线性系统为例，假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出(y)输入(x)特性如下： y=a0+a1x式中：a0零位值，即当输入x=0 时之输出值； a1灵敏度，又称传感器系统的转换增益。对于一个理想的传感器系统，a0与a1应为保持恒定不变的常量。但是实际上，由于各种内在和外来因素的影响，a0和a1都不可能保持恒定不变。譬如，决定放大器增益的外接电阻的阻值就会因温度变化而变化，因此就会引起放大器增益改变，从而使得传感器系统总增益改变，也就是系统总的灵敏度发生变化。设a1=S+a1， 其中S为增益的恒定部分，a1为变化量；又设a0=P+a0，P为零位值的恒定部分，a0为变化量，则 式中：a0零位漂

17、移； a1灵敏度漂移。3.2传感器的实时在线自校准3.2.1实时测量零点实时测量零点有两种方法，方法一：不含传感器自校，如图3.1所示；方法二：含传感器自校，如图3.2所示。图 3.1方法一 (不含传感器自校)图 3.2 方法二（含传感器自校）从上面两幅图中可以看到传感器每次工作的时候都会测零，这种方法称为实时测量零点。3.2.2线性系统图3.2所示的自校准功能实现的原理框图，能够实时自校包含传感器在内的整个传感器系统。标准发生器产生的标准值xR、零点标准值x0与传感器输入的被测目标参数x的属性相同。如，输入压力传感器的被测目标参量是压力P=x，则由标准压力发生器产生的标准压力PR= xR，若

18、传感器测量的是相对大气压PB的压差(又称表压)，那么零点标准值就是通大气x0=PB，多路转换器则是非电型的可传输流体介质的气动多路开关扫描阈。同样，微处理器在每一特定的周期内发出指令，控制多路转换器执行校零、标定、测量三步测量法，可得全传感器系统的增益/灵敏度为：标准值xR为输入量时的输出值；零点标准值x0为输入量时的输出值。 整个传感器系统的精度由标准发生器产生的标准值的精度来决定。只要求被校系统的各环节，如传感器、放大器、A/D转换器等，在三步测量所需时间内保持短暂稳定。在三步测量所需时间间隔之前和之后产生的零点、灵敏度时间漂移、温度漂移都不会引入测量误差。这种实时在线自校准功能，可以采用

19、低精度的传感器、放大器、A/D转换器等环节，达到高精度测量结果的目的。因此具有自校准功能的智能传感器系统实现了高精度。3.2.3非线性系统对于输入输出特性呈非线性的系统，只采用两个标准值的三步测量法来进行自校准则是不够完善的。实时在线自校准功能的实施过程是：（1）对传感器系统进行现场、在线、测量前的实时三点标定，即依次输入三个标准值：，测得相应输出值：，。（2）列出反非线性特性拟合方程式x(y)= +y+ （3）由标定值求反非线性特性曲线拟合方程的系数C0，C1，C2。按照最小二乘法原则，即方差最小，即 已知C0，C1，C2数值后，反非线性特性拟合方程式即被确定，这时智能传感器系统可由转换开关

20、转向测量状态。因此，只要传感器系统在实时标定与测量期间保持输出输入特性不变，传感器系统的测量精度就决定于实时标定的精度，其它任何时间特性的漂移带来的不稳定性都不会引入误差。 3.2.4自动校零的双积分式模数转换及其逻辑设计提高基本型双积分模/数转换精度的主要矛盾在于解决高增益直流运算放大器的零漂上，所以目前生产的双积分式数字电压表仍采用比较复杂的直流运算放大器。在一些四位板式数字电压表中，对所用的单片集成运算放大器也往往提出较高的筛选要求。自动校零的双积分式模/数转换方案是针对解决直流运算放大器零漂影响这一点提出来的。图3.3 自动校零的双积分式模/数转换方案它的逻辑特点是，在基本型双积分模/

21、数转换系统进入采样阶段之前，先安排一个自校零阶段，使系统转入闭环记忆零漂电压的状态，为补偿后续的采样与回积阶段的零漂影响作好准备。在自动校零阶段中，由逻辑控制系统保证，K2、K3和K0导通，K1、K4和K5断开，K0导通后所形成的闭环是一负反馈系统，由于K1断开，K2通地，使系统处于零输入校零状态.在这个负反馈系统中，不仅使A1、A2和A3。各放大器的零漂影响显著地减小，而且把补偿零漂的校零电压被记忆电容C2和积分电容C1贮存起来。此系统的采样、回积和休止准备三个阶段的动作与基本型的双积分模/数转换系统完全相似。在自校零阶段中补偿漂移影响的方法:假设积分器的各零漂因素归结为一个等效的输入漂移电

22、压，缓冲放大器和零放大器的零漂暂不考虑，其等效电路可简化成图3.4所示。图3.4 积分器等效电路显然，因为的存在，将会导致，v1和v2。由于是深度的负反馈，在完成很短的过渡过程之后，记忆电容C2所贮存的电压必将起到抵消的作用。如果认为A1和A2足够的大，则从而使积分器的输出端漂移电压减小到接近于无穷小的程度，十分有效地克服了积分漂移误差。另外，从负反馈回路的定量关系上推导，也可得出相似结论。可见，记忆电容C2两端的电压跟踪了的大小，相当于在积分器的同相输入端引入了一个自动抵消零漂的校零电压。2.2.5动态自校零在数字仪表中应用“动态自校”原理，是提高数字仪表稳定性和精度的一种新方法，自前国内外

23、都正在大力探讨并逐渐广泛采用。“动态自校”分“动态自校零”和“动态自校准”两种。其中“动态自校零”又可用“模拟自校零”和“数字自校零”来实现。数字自校零方法对零点漂移(简称零漂)的补偿效果更为理想，但线路复杂，所用元件多，而模拟自校零方法电路简单，用的元件少，对于普遍大量使用的四位数字电压表来说，完全可以收到预期的零漂补偿效果，因而具有经济的实用价值。用采样保持技术消除零漂方案，属于三次采样技术之一。它是在双斜技术的基础上，在每个测量周期中又引入一个第三状态“零采样”阶段，用以消除零漂，从而提高仪表的稳定性和测量精度。采样-保持技术过程：1）零采样阶段。首先通过电容对所有非零信号成份即零点漂移

24、量进行采样，作为测量阶段和标准采样阶段时间内的“自我补偿”用；2）测量阶段。此期间通过积分器对被测量作定时积分，检零器动作；3）标准采样阶段。对信号进行定值积分；4）检零器状态维持阶段。积分器回积置零，检零器动作，给出寄存信号，显示器显示测量值。意义：在双积分式数字电压表基础上引入采样-保持技术，可以补偿双积分式数字仪表中的三个重要漂移源(输入放大器、积分器、检零器)所引起的误差。1）积分放大器漂移的影响。由于漂移是个缓慢变化量，所以在几百ms这么短的一个测量周期内可视为不变，故可以认为可以完全自我抵消，即用此法可消除缓慢变化的零漂；2）检零放大器漂移和输入放大器漂移的影响减小。也可以这样说，

25、降低了对模拟部份中三个单元漂移的要求。实质：由上可见，模拟自校零方案的实质是，用闭环使在记忆电容Cg上记存零漂电压，并把它作为一个共模电压加到一个具有高抗共模干扰能力的差动放大器上，由于该差动放大器仅放大差模信一号，所以被放大的电压即是包含有漂移电压的被测电压与漂移电压之差。优点：提高了数字电压表的稳定性和测量精度;降低了对输入放大器、积分放大器和检零放大器中所用元件指标要求，提高了元件的上机率，不但降低了成本，而且便于成批生产;调试简单、方便。为使其体积小、成本低，本方案中用结型场效应管长尾差分对作输入级，在应用了动态自校原理后，简化了调节温度漂移的工作。第四章 自校准技术进行自校准的目的，

26、其一，不必将测试仪器仪表脱离原有的环境专门送至校准机构进行校准，在误差精度满足的前提下，提高便利性，同时保证环境的一致性；其二，某些电测仪器设备集成在大型设备中，不容易拆卸，若能够自校准，将更加方便；其三，单片机等控制器及校准电路为自校准的实现成为了可能，可实现自动化，不用进行人工校准。4.1自校准定义计量学对校准的定义是“在规定的条件下， 为确定测量仪器或测量系统所指示的量值， 或实物量具、标准物质所代表的量值， 与对应的由测量标准所复现的量值之间关系的一组操作。”该定义也明确了仪器仪表校准的几个关键点：参考值，即测量标准；进行比对的操作；确定参考值和测量值之间的关系。而上述几个关键点用单片

27、机等嵌入式系统加以实现，就是仪器仪表的自校准。4.2校准的含义及自校准的实现校准的含义校准的含义：在规定的条件下，用一个可参考的标准，对包括参考物质在内的测量器具的特性赋值，并确定其示值误差。自校准的实现校准的含义：将测量器具所指示或代表的量值，按照校准链将其溯源到标准所复现的量值。校准的目的：（1）确定示值误差，并可确定是否在预期的允差范围之内；（2）得出标称值偏差的报告值，可调整测量器具或对示值加以修正；（3）给任何标尺标记赋值或确定其他特性值，给参考物质特性赋值；（4）确保测量器给出的量值准确，实现溯源性。（5）校准是在规定条件下进行的一个确定的过程，用来确定已知输入值和输出值之间的关系

28、的一个预定义过程的执行。4.3自校准技术的原理采用自校准的方式就是将上述“校准”的内容及目的用单片机控制系统进行自动实现，以满足一定的误差要求。这要求在电测仪器中集成相应的校准参考值及校准控制电路，并将校准得到的修正系数用单片机及其他控制系统对实际测量值进行修正，以复现真实的测量结果。仪器仪表的自校准功能是现代智能数字仪表功能的一个体现，集成在智能仪表模块之中，其流程图如图4.1所示。图4.1 自校准流程图图4.1中，测量参考标准值为外部提供或者电测仪器内部集成的温漂等受外界干扰较小的标准电压、电流、电阻、电容等值（视电测仪器测试功能而定）。若由外部提供，由于外部参考值都是经过专门机构准确检定

29、、校准的，则使电测仪器的自校准精度较高，但便利性较差，此时的自校准在一定意义上已经成为了自动校准；若参考值由内部提供，则对内部参考值的生成提出了很高的要求，必须设计出能提供较好稳定性的内部参考电压、电流、电阻等的电路，以提供较好的标准参考值，这也是自校准电路的难度之一。实际校准时，参考标准值能够阶梯性分段提供多个标准值，供电测仪器仪表进行校准，得到最佳校准系数。量值转化是将除电压、电流以外的其他电学量，如电阻、电容、电磁场等，转化为可被A/D转化的电流、电压等模拟量，以及消除噪声干扰等相应的信号处理。在A/D采样并输入到单片机等嵌入式控制器后，与存储在单片机内的对应的当前标准参考值进行比较，计

30、算得出补偿参数，反馈到A/D采样输出之后，对电测仪器采样值进行补偿，得到校准后的测量值。采用内部参考标准的方式，可以对电测仪器仪表进行极为便捷的校准，虽然校准精度没有采用外部校准源来得高，但在精度满足要求的前提下，大大提高校准的效率，甚至不用移动仪器。4.4自校准技术的应用自校准技术在现代仪器的设计制造中有着很重要的应用，应用该技术可提高产品或系统的性能， 简化校准过程， 并大大改善产品或系统的可维护性， 是现代测试仪器常采用的技术。自校准技术在多通道测试设备中的应用，着眼于解决多通道设备的校准问题。多通道设备的校准通过在设备设计之初内装自校准模块来实现，并使用外接设备来校准自校准模块中的基准源。输出参量采用内部自校准模块自动校准，可以大大减少设备的校准工作量。4.4.1 自校准技术在 VXI总线D/A模块中的应用VXI总线是新一代的测量总线，该总线专门为测量应用而设计，并结合了当今微型计算机总线技术，从而使其拥有很多优点，如组建灵活、简单，性价比高，体积小等。作为该总线的基本功能模块D/A模块应该采用先进的设计思想和技术，因而我们采用自校准技术。采用这