溫度測量中傳感器的自動校正算法

溫度測量中傳感器的自動校正算法

　　摘要：溫度傳感器在一個個區(qū)段內的特性基本上是線性的。在使用一段時間以后，容易產生零點漂移和線性改變，本文介紹了采用計算機技術，利用軟件的方法進行零點補償和線性修正的原理、方法，并給出了數(shù)學模型和實例。該技術在以單片機為核心的智能儀表中可以廣泛的采用。它能夠降低產品的生產成本和使用、維護成本。

　　1、引言

　　儀表的維護、調校需要專業(yè)的人員進行。尤其是在需要調整儀表內部電位器的時候。這項工作除了需要操作人員具備一定的專業(yè)知識外，還要使用專用的專業(yè)測試、調整工具。社會生產、生活逐漸進入自動化的時代，這些原始的工作也應該隨著技術的發(fā)展逐漸被自動化技術所代替。

　　2、溫度傳感器的零點漂移和線性改變的原理

　　以線性PN結溫度傳感器為例，我們把Δk稱為線性漂移；把Δc稱零點漂移。

　　3、零點漂移和線性改變的誤差

　　傳感器漂移后，影響了測量結果的精確度。根據(jù)漂移量可以計算出它的影響量。

　　在整個量程的不同點上，這個誤差的絕對值是不固定的，其最大值通常在量程的兩端。

　　4、漂移值的測定

　　之所以出現(xiàn)漂移，其根本原因在于：傳感器的信號輸出值與開始的標定值出現(xiàn)了偏差，如果能確定當時狀態(tài)下的結果，也就是y的值，那么測定的傳感器輸出值就是真實的x值。如果在量程內的兩個點上（y1,y2），測出傳感器的對應輸出（x1,x2），就又得到了新的兩個坐標點，利用這兩個坐標，采用兩點式方程，就會得到漂移以后的新的方程，這個方程是根據(jù)傳感器的新輸出而得出的正確的測量結果。

　　5、解決零點漂移和線性改變的數(shù)學模型

　　為切合實際，我們?yōu)閭鞲衅鞯妮敵鲋狄階/D轉換器表示方式。也就是數(shù)字表達方式2。

　　設測量系統(tǒng)的A/D轉換器滿量程為2n-1，n為A/D轉換器的輸出位數(shù)。

　　設測量系統(tǒng)的量程為S，測量范圍為：s1—s2，于是該系統(tǒng)的測量量程

　　有了這個方程，對于任意x，總能計算出測量結果y。即形成符合方程⑻的（x，y）對應的坐標。

　　在傳感器發(fā)生漂移后，已知測量結果1，設為y1，如果x出現(xiàn)了變化，設為x+Δx=x1，我們就可以以（x1，y1）為一個坐標點，另以實測的（x2，y2）為另一個坐標點，使用兩點式方程，得到方程⑴，整理后得方程⑵。

　　就會利用重新建立的方程得到正確的結果。這個結果即是糾正了零點漂移和線性漂移以后的正確的結果。

　　6、解決零點漂移和線性改變的實例

　　6.1測定零點漂移，確定A組坐標

　　將傳感器放入冰桶中，理想狀態(tài)下或者出廠校正后，應該為0℃，即y1=0，測得的傳感器輸出為x1，這樣就得到了第一組坐標（x1,0）。

　　6.2測量線性漂移，確定第二組坐標

　　將標準水銀溫度計和傳感器放在同一位置，這時水銀溫度計讀書和實測值可能會有一個偏差，這時，傳感器輸出為x2，可有方程⑵逆算得出.在這里，k、c均為尚未校正時的方程參數(shù)。而y則為水銀計的讀數(shù)，記為y2。這是我們又得到了第二組坐標（x2,y2）。

　　以上取得的兩個坐標，是漂移后的傳感器輸出和實際測量值之間的關系，用兩點式方程獲得新的y和x之間的關系方程，作為今后測量的計算標準。

　　8、成本分析

　　8.1生產成本

　　該校正技術使用純軟件計算的方法，和硬件無關。使用單片機或者計算機控制的智能儀器儀表，在硬件設計時會留有足夠的程序存儲空間，因此該成本已經(jīng)包括到原來設計的系統(tǒng)中，可以不計算在內。唯一的成本就是軟件設計成本，該軟件可以用子程序的方式做成標準的模塊，一旦設計完成，也幾乎不存在生產成本。

　　該類產品或系統(tǒng)如按照通常的技術進行設計，要在前置放大環(huán)節(jié)設置零點和量程調整電位器，而且必須是精密多圈電位器。采用自動校正技術后，可以省略掉電位器而直接用固定值的精密電阻代替，單純從這個代換上計算，就一般的溫度巡檢系統(tǒng)而言會節(jié)約近6倍的材料成本。

　　8.2使用成本

　　儀器儀表維護時，要使用標準儀器測量，然后調整被測儀器儀表的內部電位器來校正漂移。但是，有些傳感器的漂移量太大，即使調整電位器也不能讓其達到規(guī)定的精度，這時只有更換傳感器。有些傳感器的安裝位置和方式非常特殊，更換起來耗時較多，甚至還要停止正常的測量作業(yè)。采用自動校正技術，可以延長這些傳感器的使用壽命3倍以上，大大降低了使用成本。

　　9、結語

　　對于壓力、流量、物位等傳感器，同樣存在著零點漂移和線性改變的問題。該技術在與傳感器的特性分析配合后，稍作改變即可以應用。另外，我們僅分析了線性系統(tǒng)的校正技術，對于非線性系統(tǒng)，同樣也可以用修改數(shù)學模型的方法來進行漂移校正。

　　單片機技術及嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)檢測與控制已經(jīng)廣泛應用，建議有必要把這個技術作為一個標準嵌入到這些微系統(tǒng)中。

　　在一些不便于頻繁更換傳感器的場合，會增加系統(tǒng)的運行可靠性。例如，在易燃易爆品倉庫，可以避免很多危險的發(fā)生。

　　這種校正仍然需要冰桶和水銀溫度計，今后是否可以考慮在有些儀器儀表內部設置標準源，進行無外界干預的、全自動的校正，需要進行繼續(xù)的研究、實踐。