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DZ209 传感器 非线性 校正 算法 研究

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总第 4 3卷 第 4 9 1 期 2 0 0 6年 第 l 1 期 电测与仪表 E l e c t r i c a l Me a s u r e me n t I n s t r u me n t a d o n Vo 1 4 3 No ， 4 91 基于模拟计算单元电路 ( AC U) 的传感器 非线性校正系统设计术 刘辉军 ， 袁 雷 ， 李 文军， 吕 进 ( 中国计量学院计量技术工程学院， 杭州 3 1 0 0 1 8 ) 摘要 ： 分析了三种传感器信号的非线性校正原理 ， 结合利用 A C U和运算放大器对称重 传感器进行非线性校正的实例 ， 详细介绍了利用模拟计算单元 电路 ( A C U) 产生非线性 校正曲线的方法 ， 并证明此方法理论上可以产生适合一般工程中出现的非线性函数 。 关键词： 传感器 ； 非线性校正； 模拟计算单元( A C u ) 中图分类号： T P 2 1 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 0 6 ) 1 1 - 0 0 4 7 0 3 De s i g n o f No n- l i n e a r i t y Co r r e c t i o n o f S e n s o r Ba s e d o n An a l o g Co mp u t a t i o n Un i t L I U H u i - j a n ， Y U A N L e i ， L I We n - j a n ， L V J i n ( C o l l e g e o f Me t r o l o g y T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g ， C h i n a I n s t i t u t e o f Me t r o l o gy， Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r a n a l y z e s t h r e e k i n d s o f s e n s o r s s i g n als n o n - l i n e a r i t y c o r r e c t i o n p fin c i - p i e T h e a n a l o g c o mp u t a t i o n u n i t ( AC U ) a n d the o p e r a t i o n al a m p l i f i e r w e r e u s e d i n th e a p p l i c a t i o n o f the w e i g h t i n g s y s t e m Th e me t h o d o f n o n l i n e a r i t y c o rre c t i o n b a s e d o n ACU wa s i n t r o d u c e d i n d e t a i l Th e o r e t i c all y ， the me tho d c a n b e w i d e l y a p p l i e d i n d e s i gn Ke y w o r d s ： s e n s o r , n o n - l i n e a r i t y c o rr e c t i o n ； a n al o g c o mp u t a t i o n u n i t ( A C U ) 0引 言 在测量系统 中。 一般都存在非线性环节 ， 尤其是 在传感器测量系统 中 由于传感器的特性曲线往往是 非线性的，因此在不采取非线性校正措施的情况下 ， 测量系统的输入与输出就不可能呈线性关系 ， 这不仅 给显示仪表的刻度标定造成困难 而且 由于测量 系统 在整个测量范围内的灵敏度 系数不一致 也给测量结 果的处理带来不便 。因此 在测量系统 的设计过程 中 传感器信号的非线性校正显得极其重要 。 其校正方法 通常有软件校正和电路补偿两种 ， 对于不采用计算机 的测量仪器 主要通过电路补偿的方法进行非线性校 正。 本文主要讨论 了使用非线性补偿电路进行校正的 方法。 1 校 正原 理 目前采用的非线性校正方法主要有以下三种。 1 1 开环 式非 线性校 正 +国家质量监督检验检疫总局科技资助项 目( 计划编号 ： 2 0 0 2 QK 2 3 ) 图 1 开 环 式 非 线 性 校 正 的 原 理 框 图 开环式非线性校正的原理框图如图 1 ， 它的输入 输出关系为 ( ) ( 1 ) 1 3 2 = A v l ( 2 ) 1 3 0 - g ( t J 2 ) ( 3 ) 当 g ( v ： ) - f ( x) 互为反 函数时 ， 有 V 0 = S x ， 其 中 S 为系统灵敏度。此方法的关键是 当精度求很高时， 要 根据传感器的响应 曲线构造一个复杂的线性化曲线 g ( v 2 ) 【 J 1 。 1 2闭环 式非线性校 正 闭环式非线性校正的原理框 图如图 2 ，当放大器 满足 时， 系统有如下输入 输出关系： ， 。 ( ) ( 4 ) 维普资讯 总第 4 3卷 第 4 9 1期 2 0 o 6年 第 l 1 期 电测与仪表 El e e t r i c a l Me a s u r e me n t I n s t r u me n t a t i o n Vo 1 4 3 No 4 9 1 No v 2 0 o 6 图 2 闭环 式非线性 校正 的原理 框 图 v s = f ( v 。 s) ( 5 ) 则有 0 s ， 即 0 = S x 。 此方法直接利用传感器 的响应曲线 f ( x) 。 不需要 构造传感器的线性化曲线 ， 有利于提高系统精度 。 1 3增益 控制 校正 增益控制校正的原理框图如图 3 ， 放大器 A 的增 益受程序控制 ， 是非线性的。 当被测量为 麓时 ， 传感器 的输出是 ， A。 的增益 一 A 1 ( l ) = ( 6 ) h 则有 0 - 1 ) l x A 1 ( l i ) ， 即 0 = S x 。 对放大器A 的输出信号1) 2 i 进行 A D转换， 把转 换结果变成增益的存储器地址 ， 该地址 中存放着对应 的A。 的增益 A ( 。 ) ， 当对所有被测量 的增益均满足 式( 6 ) 时 ， 系统就实现 了线性化。 此方法电路相对 比较 复杂 。 且 当测量精度要求较 高时 ， 需要增益存储器 的 容量很大。 比较 以上三种校正方法 ， 开环式非线性校正( 方 法 1 ) 和增益控制校正( 方法 3 ) 中均直接对传感 器的 非线曲线进行线性化处理，当测量精度要求较高时 ， 需要大量复杂的计算 。因此这两种方法难 以满足要 求。 闭环非线性校正( 方法 2 ) 中， 我们并不对传感器 的 非线 曲线进行线性化处理 ，通过高性能的 A C U集成 电路来产生传感器的非线性校正曲线 ， 从而避免了复 杂的计算 。 有效保证了测量的精度。 2 用 AC U产生非线性 曲线的基本方法 用二极管产生非线性 曲线是最常用的方法 ， 但当 非线性 曲线 比较复杂时 。电路需要 的二极管数量很 大 并且需要复杂的计算 。因此我们选用 了一种模拟 计算单元电路 ( A C U ) 来产生传感器 的校正曲线。 2 1 A C U 的基本 计算 原理 目前模拟计算单元 电路( A C U) 有很多 ， 我们选用 的 A C Uf A D 5 3 8 A D 1 电路黑匣子引线如图 4 。它有 3个 输入端、 四个参数调整端和一个输出端， 输入 输出关 系如下 一48一 图 3增益控 制校 正的原 理框 图 参数 m可 以在 0 2 5之间调整2 , 3 1 。 2 2 A C U的基本 应 用 在式 ( 7 ) 中， 当输入端 、 、 和参数 m取不同 参数时可以得到不同的输入 输出关系，因此可以产 生各种校正函数。 3应 用实例 定量包装商品净含量 的检定实质是按一定 的检 验规则进行抽样 、 测定净含量及评价的过程 ， 系统 的 设计包括称重单元 、 数据采集与处理单元 ， 其中如何 实现定量包装 商品的准确称量是系统设计的关键环 节。称重单元采用应变式传感器 ， 其输出信号经过前 置放大后送至 A D转换器， 然后经单片机通过 R S 2 3 2 端 口输入嵌入式处理器 。在称重单元的设计中， 难点 之一就是线性电路校正的设计。 压力传感器 的压力一电势表达式为 E = 0 + 口 l x p + a 2 x p + ) ( p + + a x p ( 8 ) 由此可见 。 高幂次运算电路 ， 可用做线性校正 ， 电 路运算次数越高 。 线性精度也就越高 ， 但响应时间也 随着提高 。 一般只考虑到二次。 在线性校正电路中关键是平方电路的设计 ， 结合 系统测量精度要求和电路的实现 ， 我们选择了闭环式 非线性校正。 采用 A D 5 3 8产生非线性校正曲线 ， 这种 集成电路使用三个输入 、 和， 而且有 以下函数关系， 它 作为平方电路不需要增加任何元件 ， 电路简单 ， 不需 要构造传感器的线性化曲线 ，最适合线性电路设计 ， 其运算精度为 0 5 ， 动态范 围宽 ， 并且有高精度基准 电压 提高了系统精度 5 , 6 1 。 实验 中测得的传感器 响应 函数为 ， 与式 ( 4 ) 形式 略有不同 此时需要对 A C U的输出进行调整 ， 在 电路 的设计 中我们将 A C U与运算放大器结合起来 ，电路 如 图 4 。 运算放大器的输出电压可由式( 7 ) 得 维普资讯 总第 4 3卷 第 4 9 1期 2 0 0 6年 第 1 1 期 电测与仪表 E l e c t r i e a l Me a s u r e me nt I n s t r u me n t a t i o n V o 1 4 3 No 4 91 N0 v 2 o o 6 图 4 实验 中使 用的校 正 曲线 产 生电路 V0) ，通 过 简 单 的 电 路 计 算 可 推 出 得 到 一 R l R 3 (v 一 ) 调节 m= 2且 R。 = 尺 2 = 尺 3 ， V R = - I V可 得 - + ( 9 ) ( 1 0 ) 可见式 ( 1 0 ) 与传感器响应曲线完全一致 ， 即 V o = S x( S = l O v ) 。闭环的非线性校正系统和高性能的 A C U集成 电路的使用 ， 极大地提高了系统精度 ， 系统 经浙江省称重技术研究所对定标点进行标准测试 ， 结 果如图 5 ， 均方根误差为 0 0 6 8 ， 达到了定量包装商品 净含量计量检验规则( J J F 1 0 7 0 2 o o o ) 的精度要求。 4 结论 由于压力传感器产生的压力一电势 曲线本 身存 在非线性 ， 使得不施加线性校正电路实现高精度压力 测量非常困难 ，这里介绍 了用 A C U产生非线性曲线 校正 ， 从而给出了一种通过硬件方式进行非线性校正 图 5 系统定标 点 定标 值 与 实测值散 点 图 的新方法 ， 并取得 了较理想的效果。 从理论上分析 ， 对于一般可以化为形如式 ( 1 1 ) 的 多项式的非线性函数 ) ： f ( x ) = a o + a x + a 2 x+ + q + + t Z X Z I ( 1 1 ) 式 ( 1 1 ) 中任一项均可 以用若干个 A C U实现 ， 个 A C U单元的输 出通过线性叠加就可以得到上式的非 线性函数。 参考文 献 【 1 】 张 国雄， 沈生培 仪器测量电路【 M】 北京 机械工业 出版社， 1 9 9 1 【 2 】A D 公 司 A C U使 用 手册【 E B O L h t t p ： w w wa n a l o g e o m,1 9 9 9 1 2 2 0 0 2 -1 0 - 0 4 【 3 】黄重庆， 刘 靖 一 种实用波导衰减系数测量 系统 的设 计m 现代电子 技术， 2 0 0 5 ， ( 1 2 ) ： l l 4 一l l 6 【 4 】吕 进 ， 毛谦敏 ， 刘辉军 等 移动式现场定量包装商品净含量检定 系 统的研制m 计量学报 ， 2 0 0 6 ，2 7 ( 4 ) ： 1 - 4 【 5 】 刘剑平， 蔡红英， 吕秀珍 称重传感器 弹性元件结构参数 对非线性误 差的影响m 机械工程师，2 0 0 5 ， ( 9 ) ： 9 4 9 5 【 q 孙慧卿， 郭 志友 传 感器的误差补偿技 术【 J 】 传感技 术学报 ， 2 0 0 4 ， ( 1 9 O 一 9 2 作者简介： 刘辉军 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 硕士 ， 中国计量学 院计 量技术工程学 院讲 师 ， 从事 智能测试技术研究 。 收稿 日期 ： 2 0 0 6 - -0 9 1 6 ( 丘源 编发 ) ( 上接第 5 3页) 参考 文 献 【 1 】 王学伟 H E 4 8 8 P C G P I B总线控制器操作指南【 Z 】 1 9 9 6 【 2 】 周宇 ， 顾 亚平 ， 陈光 禺 P C I -G P I B控制器 的软件设计 与实现m 测控技术 ， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 4 o一 4 2 【 3 】马永 锋 ， 商 庆华 ， 李东滨 ， 马怀俭 G P I B与 R S 2