智能传感器系统-刘君华第6章

第6章智能传感器系统化功能的实现方法第6章智能传感器系统化功能的实现方法6.1自补偿6.2多传感器信息融合6.3自选量程与增益控制6.4智能传感器的自检验6.5自诊断6.6图像处理第6章智能传感器系统化功能的实现方法6.1自补偿6.1.1温度补偿一、温度信号的获得一般来说，为了消除哪个干扰量的影响，就要放置敏感该干扰量的传感元件去监测它。为消除温度干扰量对压力传感性能的影响，就应放置测温元件去监测压力传感器的工作温度。但是对于压组式压力传感器而言，可以通过“一桥二测”技术由它自身来提供温度信号。第6章智能传感器系统化功能的实现方法图6-1(a)电原理图；(b)等效电路；第6章智能传感器系统化功能的实现方法当测压信号输出端B、D后接高输入阻抗放大器时，可视为开路，则A、C两端的等效电阻RAC为桥臂电阻的串并联)//()(4321RRRRRAC在被测量压力P与干扰量温度T同时作用下，各桥臂的阻值表达式为TTRRRRRRRRRR4231;TTTACRRRRRRR)(2//)(2（6-1）第6章智能传感器系统化功能的实现方法RAC两端的电位差UAC为TTACACRIIRRRIIRU)(式中：I——恒流源的电流值，是常量；R——压力传感器桥臂电阻初始值，是常量；ΔRT——由温度改变引起桥臂电阻的改变量。（6-2）第6章智能传感器系统化功能的实现方法二、综合补偿方法之一——多段折线逼近法1.零位温漂的补偿传感器的零点，即输入量为零时的输出值U0，随温度而漂移，传感器的类型、型号、生产厂家不同，其零位温漂移特性(U0-T)也各异。只要该传感器的U0-T特性具有重复性就可以补偿。补偿的基本思想与一般仪器消除零点的思想完全相同。只是传感器的工作温度若是T，则应在传感器输出值U中减掉T℃时的零位值U0(T)。关键步骤是要事先测出U0-T特性，存于内存中，大多数传感器的零位(U0)—温度(T)特性呈严重非线性，如图6-2所示。故由温度T求取该温度的零位值U0(T)，实际上是相同于非线性校正的线性化处理问题。第6章智能传感器系统化功能的实现方法图6-2零位温漂特性第6章智能传感器系统化功能的实现方法2.灵敏度温度漂移的补偿1)补偿原理对于压阻式压力传感器，在输入压力保持不变(P=常量)的情况下，其输出值U(T)将随温度的升高而下降，如图6-3(a)所示，图中温度T＞T1，其输出U(T)＜U(T1)。如果T1是传感器校准/标定时的工作温度，而实际工作温度却是T＞T1，若仍按工作温度T1时的输入(P)—输出(U)特性进行刻度转换求取被测输入量压力的数值是P′，而真正的被测输入量是P，将会产生很大的测量误差，其原因就是输入量P=常量时，传感器工作温度T升高，T＞T1传感器的输出由U(T1)降至U(T)，即工作点由B降至A点，输出电压为ΔU为第6章智能传感器系统化功能的实现方法ΔU=U(T1)-U(T)或ΔU=U(P,T1)-U(P,T)故U(T1)=U(T)+ΔU或U(P,T1)=U(P,T)+ΔU(6-3)由(6-3)式可见，当在工作温度为T时测得的传感器输出量为U(T)，给U(T)值加一个补偿电压ΔU后，再按U(T1)-P反非线性特性进行刻度变换求取输入量压力值即为P。因而问题归结为如何在各种不同的工作温度，获得所需要的补偿电压ΔU。第6章智能传感器系统化功能的实现方法图6-3压阻式压力传感器的灵敏度温度漂移第6章智能传感器系统化功能的实现方法2)被偿电压的分段获取图6-4被偿电压ΔU的分段获取第6章智能传感器系统化功能的实现方法表6-1传感器的输入(P)、输出(U)、工作温度(T)的标定值第6章智能传感器系统化功能的实现方法由表6-1所示折点坐标的标定值，可将输出电压分为j段，分段值为),(),(),(),(1111211TPUTPUTPUTPUjj工作温度区间分为i-1段，分段值为iiTTTT121如果测得传感器在输入压力为P时输出电压为U(P，T)，它的工作温度T由UAC-T的反非线性特性求出。设其为图6-4中的A点，它据区域为U(Pj-1，T1)＜U(P，T)＜U(Pj，T1);Ti-1＜T＜Ti；温度区间第6章智能传感器系统化功能的实现方法则被偿电压ΔU的计算式为),(),(),(),(1111iijjTTUTPUTPUTTUU式中：ΔU(T,Ti-1)项由线性插值求得：1111),(),(),(),(iiijijiiTTTPUTPUTTTTU求取ΔU补偿电压值所需采用的标定值数据，可按下述约定的规则进行：当0U(P，T)≤U(P1，T1)时，采用U(P1，T1),…，U(P1，Ti-1)，U(P1，Ti)第6章智能传感器系统化功能的实现方法U(P1，T1)U(P，T)≤U(P2，T1)时，采用U(P2，T1)，…，U(P1，Ti-1),U(P1，Ti)…….U(Pj-1，T1)U(P，T)≤U(Pj，T1)时，采用U(Pj，T1)，…，U(Pj，Ti-1),U(P1，Ti)求出之补偿电压ΔU=ΔU(T，T1)后，可按(6-3)式计算U(P,T1)，其值如下：U(P,T1)=U(P,T)+ΔU(T,T1)该电压值U(P,T1)就是工作点B的一个坐标值。它的另一个坐标值就是被测压力P，P值则由温度为T1时的输入(P)—输出(U)特性的反显而易见线性特性求出。第6章智能传感器系统化功能的实现方法3.图6-5综合补偿程序框图第6章智能传感器系统化功能的实现方法第6章智能传感器系统化功能的实现方法)(11kkkkkk式中：W——可以为UAC、U或T；H——可以为T、P或U0；k——折点序数，也是标定点的序号，k=1,2,3,…。第6章智能传感器系统化功能的实现方法4.计算举例(1)传感器的输入(P)、输出(U)及工作温度(T)的标定值如表6-2所示。表6-2工作温度不同时的输入—输出特性第6章智能传感器系统化功能的实现方法根据表中标定数据，由21.5℃(T1)的输入(P)—输出(U)特性，将输出电压分为j=5段，分段值为(单位：mV)20.97),(03.79),(89.60),(72.42),(53.24),(1514131211TPUTPUTPUTPUTPU工作温度区间分为i-1=3段，分段值为(单位：℃)0.700.500.345.214321TTTT第6章智能传感器系统化功能的实现方法(2)读入UAC及U(P,T)，设由UAC求得的工作温度为T=70.0℃，U(P,T)=79.04mV，可知41514);,(),(),(TTTPUTPUTPU故应调P=P5时的U（P5,Ti）,即U(P5)-TTi:21.534.050.070.0(。C)U(P5,Ti)97.2087.1882.3781.00(mV)第6章智能传感器系统化功能的实现方法由(6-5)式计算补偿电压ΔU(T,Ti-1)=ΔU(T,T3)，如下：mVTPUTPUTTPUTPUTTTTPUTPUTTTTUiiijiji37.1|37.8200.81|),(),(70),(),()70()(),()(),(35453354531113第6章智能传感器系统化功能的实现方法由(6-4)式计算补偿电压ΔU=ΔU(T,T1)，如下：mVTTUTPUTPUTTUTPUTPUTTUUiijj2.1637.137.8220.97),(),(),(),(),(),(),(335151111mVmVUTPUTPU24.952.1604.79),(),(1第6章智能传感器系统化功能的实现方法(3)被偿误差的估算。如果测量仪器的分辨率为0.01mV，则有可能将U(P,T)由79.04mV读为79.03mV，这时414);,(03.79),(TTTPUmVTPU故应调P=P4时的U(P4,Ti)，即U(P4)-T特性Ti:21.534.050.070.0(℃)U(P4,Ti):97.0370.0564,9463.28(mV)第6章智能传感器系统化功能的实现方法同理可计算ΔU=ΔU(T,T1)mVTTTPUTPUTTTPTPUTTUU75.1566.194.6403.79),(),()(),(),(),(343444334141mVTTUTPUTPU78.9475.1503.79),(),(),(11第6章智能传感器系统化功能的实现方法可见，存在补偿误差，其数值Δ为mV46.078.9424.95被偿后的灵敏度温度系数由等效灵敏度系数'sCTTTPUs/102.15.4803.7946.0))(,(414'若不进行补偿，由表6-2标定数据可计算出在P=P4时的灵每度温度系数αs为CTTTPUTTUTPUs/101.45.4803.7928.6303.79))(,()(),(314141444第6章智能传感器系统化功能的实现方法(4)补偿电压误差最大值的估计。以图6-4所示的传感器输入(P)—输出(U)特性可见，在T=Ti=T4时，补偿电压具有最大误差的工作点为a,b点，其坐标值为]),,([:]),,([:4241bajPTPUbPTPUa它们的电压值正好等于电压分段的分界值，求取补偿电压值所需采用的标定值数据，按约定法则对于a点是P=Pj-1时的U(Pj-1,Ti)，即U(Pj-1)-T特性。但是a点的横坐标Pa值更靠近Pj，故其温度特性更应靠近P=Pj的U(Pj,Ti)特性。对于b点情况也是如此，故按相邻的两条温度特性，U(Pj-1,Ti)-T与U(Pj-1,Ti)-T，计算出的补偿电压之差就是补偿电压误差的最大值Δm，即使工作在a,b这类最大误差工作点，补偿后的等效灵敏度温度系数仍比未补偿时的灵敏度温度系数减小一具数量级，也即温度稳定性提高一个数量级。第6章智能传感器系统化功能的实现方法三、综合补偿方法之二——1.我们知道，对应不同的工作温度，传感器有不同的输入(P)—输出(U)特性。如果能够确定工作温度为T时相应的P-U特性，并按其反非线性特性读取被测量P，从原理上不存在温度引入的误差。问题的困难在于通过标定实验只能在有限数量的几个温度值条件下标定输入—输出特性。通过曲线拟合法，可以找出在工作温度范围内非标定条件下的任一温度T状态的输入(P)—输出(U)特性。第6章智能传感器系统化功能的实现方法2.1)将不同工作温度下条件下获得的输入(P)—输出(U)特性用一维多项式方程表示为5544332210'5524423322221220'2225514413312211110'111)()(:)()(:)()(:PPPPPTUUTUTPPPPPTUUTUTPPPPPTUUTUTiiiiiiiii(6-7)第6章智能传感器系统化功能的实现方法式中：U0(T1)，U0(T2)，…，U0(Ti)——分别是传感器在不同温度的零位值；U(T1)，U(T2)，…，U(Ti)——分别是对应不同温度零位修正后的传感器的输出值。利用标定实验数据求解出各种温度条件下多项式方程的系数，则(6-7)式各方程式就可确定。第6章智能传感器系统化功能的实现方法2)建立系数β的曲线拟合方程(6-7)式中各个系数β随温度而变化的规律通常不是线性的，故也可用一维多项式方程表示为4535255544342444433323334232222241312111TDTCTBTATDTCTBTATDTCTBTATDTCTBTATDTCTBTA五次方项系数四次方项系数立方项系数平方项系数一次项系