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(nèi)的特性基本上是線性的。在使用一段時間以后，容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移和線性改變，本文介紹了采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用軟件的方法進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償和線性修正的原理、方法，并給出了數(shù)學(xué)模型和實(shí)例。該技術(shù)在以單片機(jī)為核心的智能儀表中可以廣泛的采用。它能夠降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和使用、維護(hù)成本。

　　1、引言

　　儀表的維護(hù)、調(diào)校需要專業(yè)的人員進(jìn)行。尤其是在需要調(diào)整儀表內(nèi)部電位器的時候。這項(xiàng)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(diào)整工具。社會生產(chǎn)、生活逐漸進(jìn)入自動化的時代，這些原始的工作也應(yīng)該隨著技術(shù)的發(fā)展逐漸被自動化技術(shù)所代替。

　　2、溫度傳感器的零點(diǎn)漂移和線性改變的原理

　　以線性PN結(jié)溫度傳感器為例，我們把Δk稱為線性漂移；把Δc稱零點(diǎn)漂移。

　　3、零點(diǎn)漂移和線性改變的誤差

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

　　在整個量程的不同點(diǎn)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(biāo)定值出現(xiàn)了偏差，如果能確定當(dāng)時狀態(tài)下的結(jié)果，也就是y的值，那么測定的傳感器輸出值就是真實(shí)的x值。如果在量程內(nèi)的兩個點(diǎn)上（y1,y2），測出傳感器的對應(yīng)輸出（x1,x2），就又得到了新的兩個坐標(biāo)點(diǎn)，利用這兩個坐標(biāo)，采用兩點(diǎn)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(jié)果。

　　5、解決零點(diǎn)漂移和線性改變的數(shù)學(xué)模型

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

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

　　設(shè)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(jì)算出測量結(jié)果y。即形成符合方程⑻的（x，y）對應(yīng)的坐標(biāo)。

　　在傳感器發(fā)生漂移后，已知測量結(jié)果1，設(shè)為y1，如果x出現(xiàn)了變化，設(shè)為x+Δx=x1，我們就可以以（x1，y1）為一個坐標(biāo)點(diǎn)，另以實(shí)測的（x2，y2）為另一個坐標(biāo)點(diǎn)，使用兩點(diǎn)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(jié)果。這個結(jié)果即是糾正了零點(diǎn)漂移和線性漂移以后的正確的結(jié)果。

　　6、解決零點(diǎn)漂移和線性改變的實(shí)例

　　6.1測定零點(diǎn)漂移，確定A組坐標(biāo)

　　將傳感器放入冰桶中，理想狀態(tài)下或者出廠校正后，應(yīng)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(biāo)（x1,0）。

　　6.2測量線性漂移，確定第二組坐標(biāo)

　　將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)和傳感器放在同一位置，這時水銀溫度計(jì)讀書和實(shí)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(jì)的讀數(shù)，記為y2。這是我們又得到了第二組坐標(biāo)（x2,y2）。

　　以上取得的兩個坐標(biāo)，是漂移后的傳感器輸出和實(shí)際測量值之間的關(guān)系，用兩點(diǎn)式方程獲得新的y和x之間的關(guān)系方程，作為今后測量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

　　8、成本分析

　　8.1生產(chǎn)成本

　　該校正技術(shù)使用純軟件計(jì)算的方法，和硬件無關(guān)。使用單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)控制的智能儀器儀表，在硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，可以不計(jì)算在內(nèi)。唯一的成本就是軟件設(shè)計(jì)成本，該軟件可以用子程序的方式做成標(biāo)準(zhǔn)的模塊，一旦設(shè)計(jì)完成，也幾乎不存在生產(chǎn)成本。

　　該類產(chǎn)品或系統(tǒng)如按照通常的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要在前置放大環(huán)節(jié)設(shè)置零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器，而且必須是精密多圈電位器。采用自動校正技術(shù)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(jì)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(hù)時，要使用標(biāo)準(zhǔn)儀器測量，然后調(diào)整被測儀器儀表的內(nèi)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(diào)整電位器也不能讓其達(dá)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(shù)，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(jié)語

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

　　單片機(jī)技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)檢測與控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用，建議有必要把這個技術(shù)作為一個標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(jì)，今后是否可以考慮在有些儀器儀表內(nèi)部設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)源，進(jìn)行無外界干預(yù)的、全自動的校正，需要進(jìn)行繼續(xù)的研究、實(shí)踐。