自校零和自校準(zhǔn)技術(shù)

1、燕山大學(xué)新型傳感器課題報(bào)告題 目 智_能_傳_感_器_的_自_校_正_、_自_校_零與 自 校 準(zhǔn) 技 術(shù)小組成員：程 琪 S16080401001 胡玉偉 S16080401002 華 露 S16080401003 馬雙娜 S16080401004電_氣_工_程_學(xué)_院學(xué)院 精_密_儀_器_及_機(jī)_械專業(yè) 1_3班2_0_1_7_ _年 _1_ 月 _4_ 日目錄摘要 III第一章 引言 1第二章 非線性自校正技術(shù) 22.1 傳感器非線性校正的原因 22.2 非線性的線性化校正 22.2.1 硬件電路實(shí)現(xiàn)非線性特征的線性化 32.2.2 軟件方法實(shí)現(xiàn)非線性特征的線性化 42.3 總結(jié) 7第三

2、章 自校零技術(shù) 83.1 自校零的原因 83.2 傳感器的實(shí)時(shí)在線自校準(zhǔn) 83.2.1 實(shí)時(shí)測(cè)量零點(diǎn) 8線性系統(tǒng) 9非線性系統(tǒng) 10自動(dòng)校零的雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換及其邏輯設(shè)計(jì) 10動(dòng)態(tài)自校零在數(shù)字儀表中應(yīng)用 12第四章 自校準(zhǔn)技術(shù) 144.1自校準(zhǔn)定義 144.2 校準(zhǔn)的含義及自校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的含義 144.3 自校準(zhǔn)技術(shù)的原理 144.4 自校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用 154.4.1 自校準(zhǔn)技術(shù)在 VXI總線 D/A 模塊中的應(yīng)用 164.4.2 在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用 164.4.3 傳感器實(shí)時(shí)自校準(zhǔn) 16參考文獻(xiàn) 17II摘要 本文介紹了傳感器的幾種非線性校正技術(shù)方法以及自校準(zhǔn)與自 校零技術(shù)的原理； 論述

3、了實(shí)時(shí)在線校準(zhǔn)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法， 從校準(zhǔn)的定 義出發(fā)， 引申出了儀器儀表自校準(zhǔn)的概念， 并對(duì)自校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的基本原 理和過程進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞： 傳感器；非線性校正；自校零技術(shù)；自校準(zhǔn)技術(shù)III新型傳感器課題報(bào)告第一章 引言伴隨著在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)全球化的推動(dòng)下的科技進(jìn)步， 對(duì)傳感器進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)越 來越成為所需， 智能化方法也得到了相應(yīng)的發(fā)展。 根據(jù)傳感器技術(shù)的發(fā)展， 將傳 感器智能化按其功能分為以下幾個(gè)階段：1) 初級(jí)智能化。僅具有改善非線性誤差， 消除噪聲影響， 提高精度的功能。2) 自立智能化。增加了自我診斷，自我校正等自我調(diào)節(jié)功能，具有就地處 理，適應(yīng)環(huán)境的能力。3) 高級(jí)智能化。具有多維檢測(cè)，特

4、征檢測(cè)，圖像顯示和圖像識(shí)別等功能， 具有分析記憶，模式識(shí)別，自學(xué)習(xí)甚至思維能力。本文就傳感器的非線性校正技術(shù)， 自校零技術(shù)和自校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行論述。 通過 對(duì)這方面的了解與學(xué)習(xí)， 希望可以在現(xiàn)有的技術(shù)水平上進(jìn)行改進(jìn)， 使其有更好的 性能，能更準(zhǔn)確地工作，更好地為我們所用。智能傳感器自校正、自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)第二章 非線性自校正技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)的線性度 （非線性誤差） 是影響系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)之一。 智能傳 感器系統(tǒng)具有非線性自動(dòng)校正功能，可以消除整個(gè)傳感器系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)誤 差，提高測(cè)量精度。與經(jīng)典傳感器技術(shù)不同的是， 智能化非線性自動(dòng)校正技術(shù)是通過軟件來實(shí)現(xiàn) 的。它不在乎測(cè)量系統(tǒng)中任一測(cè)量環(huán)節(jié)具有多

5、么嚴(yán)重的非線性特性， 也不需要再 對(duì)改善測(cè)量系統(tǒng)中每一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)的非線性特性而耗費(fèi)精力， 只要求他們的輸入 - 輸出特性具有重復(fù)性。2.1 傳感器非線性校正的原因 傳感器就是一種以一定的精確度將被測(cè)物理量 （如位移、力、加速度等 ）轉(zhuǎn)換 為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測(cè)量的某種物理量的測(cè)量部件或裝 置。狹義地定義為： 能把外界非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的機(jī)器或裝置。 傳感器 的作用就是把光、 聲音、溫度等各種物理量轉(zhuǎn)換為電子電路能處理的電壓或電流 信號(hào)。理想傳感器的輸入物理量與轉(zhuǎn)換信號(hào)量呈線性關(guān)系， 線性度越高， 則傳感器 的精度越高，反之，傳感器的精度越低。在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中， 我們總是

6、期望系統(tǒng)的輸出與輸入之間為線性關(guān)系， 但在 工程實(shí)踐中，大多數(shù)傳感器的特性曲線都存在一定的非線性度 （ 有時(shí)又稱為線性 度與積分線性度 ） 誤差，另外，非電量轉(zhuǎn)化電路也會(huì)出現(xiàn)一定的非線性。傳感器非線性特性產(chǎn)生的原因從傳感器的變換原理可以看出， 利用各類傳感 器把物理量轉(zhuǎn)換成電量時(shí)， 大多數(shù)傳感器的輸出電量與被測(cè)物理量之間的關(guān)系都 存在一定的非線性， 這是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生非線性特性的主要原因， 其次是變換 電路的非線性。2.2 非線性的線性化校正非線性校正方法分別從硬件和軟件兩方面給出了校正的方法， 并對(duì)硬件、 軟 件校正的優(yōu)缺點(diǎn)做出了總結(jié)， 即非線性的線性化校正采用何種方法， 要根據(jù)實(shí)際 應(yīng)用

7、的要求來確定。新型傳感器課題報(bào)告2.2.1 硬件電路實(shí)現(xiàn)非線性特征的線性化1) 敏感元件特性的線性化敏感元件是非電量檢測(cè)的感受元件， 它的非線性對(duì)后級(jí)影響很大， 我們應(yīng)盡 量使它線性化。如用熱敏電阻測(cè)量，熱敏電阻 Rt 與t 的關(guān)系是：Rt=A? exp(B/T)(1)式中， T=273+t， t為攝氏溫度 ; A，B均為與材料有關(guān)的常數(shù)，顯然 Rt與 t 呈非線性，我們可以采用一個(gè)附加線性電阻與熱敏電阻并聯(lián)， 所形成的并聯(lián)等效電阻 Rp與t有近似線性關(guān)系，如圖 1，Rp的整段曲線呈 S形 電路并聯(lián)的電阻 R 可由 (3) 式確定。RPR* RtR Rt2)RB(RA RC ) 2RARC R

8、RA RC 2RB3)圖1 并聯(lián)等效電阻曲線其中 RA、RB、RC 是熱敏電阻在低溫，中溫和高溫下的電阻值。2) 折線逼近法將傳感器的特性曲線用連續(xù)有限的直線來代替， 然后根據(jù)各轉(zhuǎn)折點(diǎn)和各段直 線來設(shè)計(jì)硬件電路， 這就是最常用折線逼近法。 轉(zhuǎn)折點(diǎn)越多， 各段直線就越逼近 曲線，精度也就越高， 但太多了就會(huì)因?yàn)榫€路本身誤差而影響精度， 所以轉(zhuǎn)折點(diǎn) 的選取與要求的精度和線路有密切的聯(lián)系， 在實(shí)際應(yīng)用中， 應(yīng)采取具體問題具體智能傳感器自校正、自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)分析的辦法。3) 小結(jié)此外，采用硬件方法校正中還有拋物線逼近法、 線性提升法、 測(cè)量橋電路線 性化等等。總之，硬件方法校正，因?yàn)槠浔旧硇枰捎?/p>

9、較多的硬件電路，在實(shí)際 中做到完全校正是很困難的。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用， 特別是單片機(jī)的迅速 發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中用軟件 (程序) 進(jìn)行非線性校正得到了越來越廣泛的應(yīng) 用。2.2.2 軟件方法實(shí)現(xiàn)非線性特征的線性化 傳統(tǒng)的軟件非線性校正方法主要有反函數(shù)法、 查表法、分段內(nèi)插法、 樣條函 數(shù)內(nèi)插法和曲線擬合法。 而近幾年出現(xiàn)了幾種新的校正方法如遺傳算法、 神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)算法、支持向量機(jī)方法。 下面就做反函數(shù)法， 查表法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法做簡(jiǎn)單介 紹。1) 反函數(shù)法圖 2a 是一個(gè)被控物理對(duì)象，其輸出物理量 y 和輸入控制量 x 之間有非線性 函數(shù)關(guān)系 y=f(x) 。如果將這個(gè)客觀非線性物理過程

10、強(qiáng)制性擬合成某一線性過程 y=ax+b，則將產(chǎn)生非線性誤差。例如，為使被控對(duì)象輸出 y，按被控對(duì)象本身特 性函數(shù) y=f(x) ，應(yīng)加控制量 xl ，但由于過程被擬合成線性函數(shù) y=ax+b 實(shí)施控制， 據(jù)此給出的輸入控制量將不是 xl ，而是 x2，因此實(shí)際輸出將不是 y1，而是 y2，產(chǎn) 生偏差。 y=y2-y1，降低控制精度，在閉環(huán)控制時(shí)將降低系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)。為依據(jù)物理過程本身實(shí)際規(guī)律校正非線性，可求出函數(shù) y=f(x) 的反函數(shù) x=(y，) 構(gòu)成反函數(shù)發(fā)生器， 如圖 2b 所示。該反函數(shù)發(fā)生器將可由給定目標(biāo)值 y 得到應(yīng)施加的控制量 x。例如，為使被控對(duì)象輸出 y1，由反函數(shù)發(fā)生器

11、可得到應(yīng) 施加的控制量為 xl。因此，如圖 2c，只要在被控對(duì)象輸入端前加一級(jí)反函數(shù)發(fā)生器 x=(y)，系 統(tǒng)將根據(jù)輸入目標(biāo)值按照被控對(duì)象本身物理過程由反函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控 制量，施加于被控對(duì)象， 從而得到與輸入目標(biāo)值相一致的輸出。 系統(tǒng)輸出 y 與輸 入 y 之間成為線性關(guān)系 :y=f(x)=f (y )= y 系統(tǒng)不再是一個(gè)近似線性模型， 而是一個(gè)精確的與實(shí)際系統(tǒng)相一致的線性系新型傳感器課題報(bào)告統(tǒng)模型圖 2 反函數(shù)法非線性校正反函數(shù)發(fā)生器在有測(cè)量反饋條件的計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)中是容易實(shí)現(xiàn)的， 它 可以通過對(duì)被控對(duì)象函數(shù)關(guān)系的測(cè)量求取其反函數(shù)， 編制反函數(shù)表得到。 采用計(jì) 算機(jī)查表法的反函

12、數(shù)發(fā)生器具有極快的響應(yīng)速度， 而且由于系統(tǒng)消除了一次近似 時(shí)的非線性誤差，因而使得系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)控制質(zhì)量。2) 查表法查表法也就是根據(jù) A/D 的轉(zhuǎn)換精度要求把測(cè)量范圍內(nèi)參數(shù)劃分成若干等分 點(diǎn)，然后由小到大按順序計(jì)算出這些等分點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)值， 這些等分點(diǎn)和其 對(duì)應(yīng)的輸出的數(shù)據(jù)就組成了一張表， 把這張數(shù)據(jù)表存放在存貯區(qū)中。 軟件處理方 法是在程序中編制一個(gè)查表程序， 當(dāng)被測(cè)參數(shù)經(jīng)過采樣等轉(zhuǎn)換后， 通過查表程序 直接從數(shù)據(jù)表中查出相對(duì)應(yīng)的輸出參數(shù)值。如圖 3 與表 1 所示，壓力 P(0 20MPa)，電壓 V(2002200mV)P為步長(zhǎng)， n 為點(diǎn)數(shù) (n=Pmax/ P，)

13、 即存儲(chǔ)長(zhǎng)度。建表方法是 P 以 0 壓力為基址，點(diǎn)數(shù) n 為 長(zhǎng)度，每個(gè)壓力點(diǎn)的壓力值都是等步長(zhǎng) P的整數(shù)倍，每個(gè)壓力點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的電壓 值組成一對(duì)數(shù)據(jù)，一共有 (n+1)個(gè)這樣的數(shù)據(jù)對(duì)，將其制成一個(gè)表格，以便查詢。 顯然 n越大，精度越高，比如，取 n值為 2000，則 P=Pmax/n=0.01(MPa/mV) ， 但是表格制作比較麻煩，查表比較費(fèi)時(shí)間，而且數(shù)據(jù)表格要占用相當(dāng)多的內(nèi)存 ;智能傳感器自校正、自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)如果 n 值太小，比如 n 值為 20，則 P=Pmax/n=1(MPa/mV)，精度就難以達(dá)到要 求，表格很容易失去作用。所以在制作表格時(shí)， n 的值要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來

14、確 定。另外，在一種測(cè)試環(huán)境下制作的表格，在另一種環(huán)境下不一定能夠適應(yīng)，如 溫度的變化，關(guān)鍵是抑制溫漂。圖3 表格劃分表 1 表格劃分的對(duì)應(yīng)取值表3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法一個(gè)傳感器系統(tǒng)可表示為 y=f(x,t) ，其中 , y 為傳感器的輸出量 ; x 為傳感器 的輸入量 ; t為影響傳感器的非線性因素 (x, t 可以是一維行向量。用來表示多個(gè) 輸入量和多個(gè)外界非線性因素 ) 。目的是根據(jù)測(cè)得 y求得未知的 x,即 x= g(y, t)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究對(duì)消除和補(bǔ)償傳感器系統(tǒng)的非線性特性提供了一種新方法 , 如圖4 所示。圖 4 非線性校正傳感器輸出 y 通過一個(gè)補(bǔ)償逆模型 , 模型的特性函數(shù)為

15、p= kx= kg(y, t), 其新型傳感器課題報(bào)告中,p為非線性補(bǔ)償后的輸出 ;k 為常數(shù),很顯然 g(*) 也是一個(gè)非線性函數(shù) , 使補(bǔ)償 后的傳感器具有理想特性。 在實(shí)際應(yīng)用中 , 非線性函數(shù) g(*) 的表達(dá)式難以準(zhǔn)確求 出,但可以通過建模來實(shí)現(xiàn) , 補(bǔ)償模型的建立就成了校正傳感器非線性特性的關(guān) 鍵。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有處理非線性優(yōu)化問題的能力 , 其中, BP網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性 映射能力和泛化功能 , 使任意連續(xù)的非線性函數(shù) (如傳感器逆模型 )和映射均可采 用三層網(wǎng)絡(luò)建模加以實(shí)現(xiàn)。2.3 總結(jié)總之線性化校正的價(jià)值在于提高精度 ,提高傳感器的生產(chǎn)成品率。 由上,我們 可以看出用軟件進(jìn)行線

16、性化處理 , 不論采用哪種方法 , 都要花費(fèi)一定的程序運(yùn)行 時(shí)間。特別是在實(shí)時(shí)測(cè)試和控制系統(tǒng)中 , 如果系統(tǒng)處理的問題很多 , 實(shí)時(shí)性要求很 強(qiáng),選用硬件進(jìn)行線性化處理是合適的。 但是如果控制系統(tǒng)的時(shí)間夠用時(shí) , 采用軟 件處理就可以大大簡(jiǎn)化硬件電路。用軟件代替硬件進(jìn)行線性化處理 , 它省去了復(fù) 雜的非線性硬件電路 , 降低了系統(tǒng)的成本 ; 而且它能發(fā)揮計(jì)算機(jī)智能作用 , 提高了 檢測(cè)的準(zhǔn)確性和精度 ; 尤其, 利用線性插值法 , 將實(shí)際曲線用直線段近似逼近 ,通 過近似公式計(jì)算 ,如果折線的段數(shù)取得合適 ,可以達(dá)到比較高的精確度 ,并且, 計(jì) 算方法也比較簡(jiǎn)單 ;還有, 適當(dāng)改變軟件的內(nèi)容

17、,就可以對(duì)不同傳感器或轉(zhuǎn)換電路 進(jìn)行補(bǔ)償?？傊?, 傳感器的非線性處理方法應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的具體情況全面考慮再作 決定。新型傳感器課題報(bào)告第三章 自校零技術(shù)在傳感器的測(cè)量過程中， 由于儀器內(nèi)部器件的零點(diǎn)偏移及其溫漂， 即使零輸 入時(shí)也有輸出讀數(shù)，產(chǎn)生測(cè)量誤差。3.1 自校零的原因因?yàn)閮x器存在誤差且誤差很可能隨環(huán)境而變化， 所以就需要設(shè)計(jì)一種自校正 裝置，使得傳感器的參數(shù)發(fā)生漂移時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自我的補(bǔ)償與校準(zhǔn)， 從而使得測(cè)量 結(jié)果更加精確。以線性系統(tǒng)為例，假設(shè)一傳感器系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的靜態(tài)輸出 (y) 輸入 (x) 特性如下：y=a0+a1x式中： a0零位值，即當(dāng)輸入 x=0 時(shí)之輸出值；a1 靈敏度

18、，又稱傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換增益。對(duì)于一個(gè)理想的傳感器系統(tǒng)， a0與 a1 應(yīng)為保持恒定不變的常量。但是實(shí)際 上，由于各種內(nèi)在和外來因素的影響， a0 和 a1都不可能保持恒定不變。譬如， 決定放大器增益的外接電阻的阻值就會(huì)因溫度變化而變化， 因此就會(huì)引起放大器 增益改變，從而使得傳感器系統(tǒng)總增益改變，也就是系統(tǒng)總的靈敏度發(fā)生變化。 設(shè) a1=S+a1， 其中 S 為增益的恒定部分， a1為變化量；又設(shè) a0=P+a0， P 為零位值的恒定部分， a0為變化量，則y (Pa0) (Sa1)x式中： a0零位漂移； a1靈敏度漂移。3.2 傳感器的實(shí)時(shí)在線自校準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量零點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量零點(diǎn)有兩種方法，方法

19、一：不含傳感器自校，如圖 3.1 所示；方法 二：含傳感器自校，如圖 3.2 所示。新型傳感器課題報(bào)告圖 3.1 方法一 （ 不含傳感器自校 ）圖 3.2 方法二（含傳感器自校）從上面兩幅圖中可以看到傳感器每次工作的時(shí)候都會(huì)測(cè)零， 這種方法稱為實(shí) 時(shí)測(cè)量零點(diǎn)。線性系統(tǒng)圖 3.2 所示的自校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)的原理框圖， 能夠?qū)崟r(shí)自校包含傳感器在內(nèi)的 整個(gè)傳感器系統(tǒng)。 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值 xR、零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值 x0 與傳感器輸入的 被測(cè)目標(biāo)參數(shù) x 的屬性相同。如，輸入壓力傳感器的被測(cè)目標(biāo)參量是壓力 P=x， 則由標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)壓力 PR= xR，若傳感器測(cè)量的是相對(duì)大氣壓 PB 的壓差（又稱

20、表壓 ） ，那么零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值就是通大氣 x0=PB，多路轉(zhuǎn)換器則是非電型 的可傳輸流體介質(zhì)的氣動(dòng)多路開關(guān)掃描閾。 同樣，微處理器在每一特定的周 期內(nèi)發(fā)出指令，控制多路轉(zhuǎn)換器執(zhí)行校零、標(biāo)定、測(cè)量三步測(cè)量法，可得全傳感 器系統(tǒng)的增益 /靈敏度 a1為：Say R y0xRyR 標(biāo)準(zhǔn)值 xR為輸入量時(shí)的輸出值；智能傳感器自校正、自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)y0零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值 x0 為輸入量時(shí)的輸出值。整個(gè)傳感器系統(tǒng)的精度由標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)值的精度來決定。 只要求被 校系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)，如傳感器、放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等，在三步測(cè)量所需時(shí)間內(nèi)保 持短暫穩(wěn)定。在三步測(cè)量所需時(shí)間間隔之前和之后產(chǎn)生的零點(diǎn)、 靈敏度時(shí)間漂

21、移、 溫度漂移都不會(huì)引入測(cè)量誤差。 這種實(shí)時(shí)在線自校準(zhǔn)功能， 可以采用低精度 的傳感器、放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)，達(dá)到高精度測(cè)量結(jié)果的目的。因此具有 自校準(zhǔn)功能的智能傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度。非線性系統(tǒng) 對(duì)于輸入輸出特性呈非線性的系統(tǒng)， 只采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的三步測(cè)量法來進(jìn) 行自校準(zhǔn)則是不夠完善的。實(shí)時(shí)在線自校準(zhǔn)功能的實(shí)施過程是：(1) 對(duì)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)、在線、測(cè)量前的實(shí)時(shí)三點(diǎn)標(biāo)定，即依次輸入 三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值： xR1， x R2 ， x R3 ，測(cè)得相應(yīng)輸出值： yR1， yR2，yR3。(2) 列出反非線性特性擬合方程式 x(y)= C0+C1y+C2 y2(3) 由標(biāo)定值求反非線性特性曲

22、線擬合方程的系數(shù) C0，C1，C2。按照最小 二乘法原則，即方差最小，即3(C0 C1yRi C2yR2i) xRi 2 F(C0,C1,C2) 最小i1已知 C0，C1，C2 數(shù)值后，反非線性特性擬合方程式即被確定，這時(shí)智能傳 感器系統(tǒng)可由轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)向測(cè)量狀態(tài)。 因此，只要傳感器系統(tǒng)在實(shí)時(shí)標(biāo)定與測(cè)量 期間保持輸出輸入特性不變，傳感器系統(tǒng)的測(cè)量精度就決定于實(shí)時(shí)標(biāo)定的精 度，其它任何時(shí)間特性的漂移帶來的不穩(wěn)定性都不會(huì)引入誤差。3.2.4 自動(dòng)校零的雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換及其邏輯設(shè)計(jì) 提高基本型雙積分模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換精度的主要矛盾在于解決高增益直流運(yùn)算放大 器的零漂上，所以目前生產(chǎn)的雙積分式數(shù)字電壓表仍采

23、用比較復(fù)雜的直流運(yùn)算放 大器。在一些四位板式數(shù)字電壓表中， 對(duì)所用的單片集成運(yùn)算放大器也往往提出 較高的篩選要求。自動(dòng)校零的雙積分式模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換方案是針對(duì)解決直流運(yùn)算放大 器零漂影響這一點(diǎn)提出來的。10新型傳感器課題報(bào)告圖 3.3 自動(dòng)校零的雙積分式模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換方案 它的邏輯特點(diǎn)是，在基本型雙積分模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)入采樣階段之前，先安 排一個(gè)自校零階段， 使系統(tǒng)轉(zhuǎn)入閉環(huán)記憶零漂電壓的狀態(tài)， 為補(bǔ)償后續(xù)的采樣與 回積階段的零漂影響作好準(zhǔn)備。在自動(dòng)校零階段中，由邏輯控制系統(tǒng)保證， K2、K3和 K0導(dǎo)通，K1、K4 和 K5斷開， K 0導(dǎo)通后所形成的閉環(huán)是一負(fù)反饋系統(tǒng)，由于 K1 斷開，K

24、2 通地， 使系統(tǒng)處于零輸入校零狀態(tài) .在這個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)中，不僅使 A1、A2 和 A3。各放 大器的零漂影響顯著地減小，而且把補(bǔ)償零漂的校零電壓被記憶電容 C2 和積分 電容 C1 貯存起來。此系統(tǒng)的采樣、回積和休止準(zhǔn)備三個(gè)階段的動(dòng)作與基本型的 雙積分模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完全相似。在自校零階段中補(bǔ)償漂移影響的方法 : 假設(shè)積分器的各零漂因素歸結(jié)為一個(gè)等效的輸入漂移電壓 ，緩沖放大器和 零放大器的零漂暫不考慮，其等效電路可簡(jiǎn)化成圖 3.4 所示。11智能傳感器自校正、自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)圖 3.4 積分器等效電路顯然，因?yàn)榈拇嬖?，將?huì)導(dǎo)致， v1和 v2。由于是深度的負(fù)反饋，在完 成很短的過渡過程

25、之后，記憶電容 C2 所貯存的電壓必將起到抵消 的作用。如 果認(rèn)為 A1和 A2足夠的大，則從而使積分器的輸出端漂移電壓減小到接近于無窮小的程度， 十分有效地克 服了積分漂移誤差。 另外，從負(fù)反饋回路的定量關(guān)系上推導(dǎo)， 也可得出相似結(jié)論?？梢?，記憶電容 C2 兩端的電壓跟蹤了 的大小，相當(dāng)于在積分器的同相輸 入端引入了一個(gè)自動(dòng)抵消零漂的校零電壓。2.2.5 動(dòng)態(tài)自校零在數(shù)字儀表中應(yīng)用“動(dòng)態(tài)自?！?原理，是提高數(shù)字儀表穩(wěn)定性和精度的一種新方法， 自前國(guó)內(nèi) 外都正在大力探討并逐漸廣泛采用?！皠?dòng)態(tài)自校”分“動(dòng)態(tài)自校零” 和“動(dòng)態(tài)自校準(zhǔn)” 兩種。其中“動(dòng)態(tài)自校零” 又可用“模擬自校零”和“數(shù)字自校零”

26、來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字自校零方法對(duì)零點(diǎn)漂移 （簡(jiǎn)稱零漂 ）的補(bǔ)償效果更為理想，但線路復(fù)雜， 所用元件多，而模擬自校零方法電路簡(jiǎn)單， 用的元件少， 對(duì)于普遍大量使用的四 位數(shù)字電壓表來說， 完全可以收到預(yù)期的零漂補(bǔ)償效果， 因而具有經(jīng)濟(jì)的實(shí)用價(jià) 值。用采樣保持技術(shù)消除零漂方案， 屬于三次采樣技術(shù)之一。 它是在雙斜技術(shù)12新型傳感器課題報(bào)告的基礎(chǔ)上，在每個(gè)測(cè)量周期中又引入一個(gè)第三狀態(tài)“零采樣”階段，用以消除 零漂，從而提高儀表的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。采樣-保持技術(shù)過程： 1）零采樣階段。 首先通過電容對(duì)所有非零信號(hào)成份即 零點(diǎn)漂移量進(jìn)行采樣，作為測(cè)量階段和標(biāo)準(zhǔn)采樣階段時(shí)間內(nèi)的“自我補(bǔ)償”用； 2）測(cè)量階段。此期

27、間通過積分器對(duì)被測(cè)量作定時(shí)積分，檢零器動(dòng)作； 3）標(biāo)準(zhǔn)采 樣階段。對(duì)信號(hào)進(jìn)行定值積分； 4）檢零器狀態(tài)維持階段。積分器回積置零，檢 零器動(dòng)作，給出寄存信號(hào)，顯示器顯示測(cè)量值。意義：在雙積分式數(shù)字電壓表基礎(chǔ)上引入采樣 - 保持技術(shù)，可以補(bǔ)償雙積分 式數(shù)字儀表中的三個(gè)重要漂移源 （輸入放大器、積分器、檢零器 ） 所引起的誤差。 1）積分放大器漂移的影響。 由于漂移是個(gè)緩慢變化量， 所以在幾百 ms這么短的 一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)可視為不變， 故可以認(rèn)為可以完全自我抵消， 即用此法可消除緩 慢變化的零漂； 2）檢零放大器漂移和輸入放大器漂移的影響減小。也可以這樣 說，降低了對(duì)模擬部份中三個(gè)單元漂移的要求。實(shí)

28、質(zhì)：由上可見，模擬自校零方案的實(shí)質(zhì)是，用閉環(huán)使在記憶電容Cg 上記存零漂電壓，并把它作為一個(gè)共模電壓加到一個(gè)具有高抗共模干擾能力的差動(dòng)放 大器上，由于該差動(dòng)放大器僅放大差模信一號(hào)， 所以被放大的電壓即是包含有漂 移電壓的被測(cè)電壓與漂移電壓之差。優(yōu)點(diǎn)：提高了數(shù)字電壓表的穩(wěn)定性和測(cè)量精度 ; 降低了對(duì)輸入放大器、積分 放大器和檢零放大器中所用元件指標(biāo)要求， 提高了元件的上機(jī)率， 不但降低了成 本，而且便于成批生產(chǎn) ; 調(diào)試簡(jiǎn)單、方便。為使其體積小、成本低，本方案中用 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管長(zhǎng)尾差分對(duì)作輸入級(jí)， 在應(yīng)用了動(dòng)態(tài)自校原理后， 簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)溫度 漂移的工作。13新型傳感器課題報(bào)告第四章 自校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行

29、自校準(zhǔn)的目的， 其一，不必將測(cè)試儀器儀表脫離原有的環(huán)境專門送至校 準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)， 在誤差精度滿足的前提下， 提高便利性， 同時(shí)保證環(huán)境的一致 性；其二，某些電測(cè)儀器設(shè)備集成在大型設(shè)備中，不容易拆卸，若能夠自校準(zhǔn)， 將更加方便； 其三，單片機(jī)等控制器及校準(zhǔn)電路為自校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)成為了可能， 可 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不用進(jìn)行人工校準(zhǔn)。4.1 自校準(zhǔn)定義計(jì)量學(xué)對(duì)校準(zhǔn)的定義是“在規(guī)定的條件下， 為確定測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)所 指示的量值， 或?qū)嵨锪烤摺?標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所代表的量值， 與對(duì)應(yīng)的由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)所復(fù) 現(xiàn)的量值之間關(guān)系的一組操作。 ”該定義也明確了儀器儀表校準(zhǔn)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)： 參考值，即測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行比對(duì)的操作；確定參

30、考值和測(cè)量值之間的關(guān)系。而上 述幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)用單片機(jī)等嵌入式系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)，就是儀器儀表的自校準(zhǔn)。4.2 校準(zhǔn)的含義及自校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的含義校準(zhǔn)的含義： 在規(guī)定的條件下， 用一個(gè)可參考的標(biāo)準(zhǔn)， 對(duì)包括參考物質(zhì)在內(nèi) 的測(cè)量器具的特性賦值，并確定其示值誤差。自校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)的含義： 將測(cè)量器具所指示或代表的量值， 按照校準(zhǔn)鏈將 其溯源到標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的量值。校準(zhǔn)的目的：（1）確定示值誤差，并可確定是否在預(yù)期的允差范圍之內(nèi)； （2） 得出標(biāo)稱值偏差的報(bào)告值， 可調(diào)整測(cè)量器具或?qū)κ局导右孕拚?（3）給任何標(biāo)尺 標(biāo)記賦值或確定其他特性值， 給參考物質(zhì)特性賦值；（ 4）確保測(cè)量器給出的量值 準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)溯源性。（

31、5）校準(zhǔn)是在規(guī)定條件下進(jìn)行的一個(gè)確定的過程，用來確定 已知輸入值和輸出值之間的關(guān)系的一個(gè)預(yù)定義過程的執(zhí)行。4.3 自校準(zhǔn)技術(shù)的原理采用自校準(zhǔn)的方式就是將上述 “校準(zhǔn)”的內(nèi)容及目的用單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)， 以滿足一定的誤差要求。 這要求在電測(cè)儀器中集成相應(yīng)的校準(zhǔn)參考值 及校準(zhǔn)控制電路，并將校準(zhǔn)得到的修正系數(shù)用單片機(jī)及其他控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)際測(cè)量14新型傳感器課題報(bào)告值進(jìn)行修正， 以復(fù)現(xiàn)真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。 儀器儀表的自校準(zhǔn)功能是現(xiàn)代智能數(shù)字儀 表功能的一個(gè)體現(xiàn)，集成在智能儀表模塊之中，其流程圖如圖 4.1 所示。圖 4.1 自校準(zhǔn)流程圖圖 4.1 中，測(cè)量參考標(biāo)準(zhǔn)值為外部提供或者電測(cè)儀器內(nèi)部集成的

32、溫漂等受外 界干擾較小的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、電阻、電容等值（視電測(cè)儀器測(cè)試功能而定） 。 若由外部提供， 由于外部參考值都是經(jīng)過專門機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確檢定、 校準(zhǔn)的， 則使電測(cè) 儀器的自校準(zhǔn)精度較高， 但便利性較差， 此時(shí)的自校準(zhǔn)在一定意義上已經(jīng)成為了 自動(dòng)校準(zhǔn)； 若參考值由內(nèi)部提供， 則對(duì)內(nèi)部參考值的生成提出了很高的要求， 必 須設(shè)計(jì)出能提供較好穩(wěn)定性的內(nèi)部參考電壓、 電流、 電阻等的電路， 以提供較好 的標(biāo)準(zhǔn)參考值， 這也是自校準(zhǔn)電路的難度之一。 實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)， 參考標(biāo)準(zhǔn)值能夠階 梯性分段提供多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值， 供電測(cè)儀器儀表進(jìn)行校準(zhǔn)， 得到最佳校準(zhǔn)系數(shù)。 量值 轉(zhuǎn)化是將除電壓、電流以外的其他電學(xué)量，如電阻、電

33、容、電磁場(chǎng)等，轉(zhuǎn)化為可 被 A/D 轉(zhuǎn)化的電流、電壓等模擬量，以及消除噪聲干擾等相應(yīng)的信號(hào)處理。在 A/D 采樣并輸入到單片機(jī)等嵌入式控制器后， 與存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)的對(duì)應(yīng)的當(dāng)前標(biāo) 準(zhǔn)參考值進(jìn)行比較，計(jì)算得出補(bǔ)償參數(shù)，反饋到 A/D 采樣輸出之后，對(duì)電測(cè)儀 器采樣值進(jìn)行補(bǔ)償， 得到校準(zhǔn)后的測(cè)量值。 采用內(nèi)部參考標(biāo)準(zhǔn)的方式， 可以對(duì)電 測(cè)儀器儀表進(jìn)行極為便捷的校準(zhǔn)， 雖然校準(zhǔn)精度沒有采用外部校準(zhǔn)源來得高， 但 在精度滿足要求的前提下，大大提高校準(zhǔn)的效率，甚至不用移動(dòng)儀器。4.4 自校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用自校準(zhǔn)技術(shù)在現(xiàn)代儀器的設(shè)計(jì)制造中有著很重要的應(yīng)用， 應(yīng)用該技術(shù)可提高 產(chǎn)品或系統(tǒng)的性能， 簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過程， 并大大改善產(chǎn)品或系統(tǒng)的可維護(hù)性， 是15智能傳感器自校正、自校零與自校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)代測(cè)試儀器常采用的技術(shù)。自校準(zhǔn)技術(shù)在多通道測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用，著眼于解決多通道設(shè)備的校準(zhǔn)問 題。多通道設(shè)備的校準(zhǔn)通過在設(shè)備設(shè)計(jì)之初內(nèi)裝自校準(zhǔn)模塊來實(shí)現(xiàn)， 并使用外接 設(shè)備來校準(zhǔn)自校準(zhǔn)模塊中的基準(zhǔn)源。 輸出參量采用內(nèi)部自校準(zhǔn)模塊自動(dòng)校準(zhǔn)， 可 以大大減少設(shè)備的校準(zhǔn)工作量。自校準(zhǔn)技術(shù)在 VXI 總線 D/A 模塊中的應(yīng)用VXI 總線是新一代的測(cè)量總線， 該總線專門為測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)， 并結(jié)合了當(dāng) 今微型計(jì)算機(jī)總線技術(shù)， 從而使其擁有很多優(yōu)點(diǎn)， 如組建靈活、 簡(jiǎn)單，性價(jià)比高， 體積小等。作為該總線的基本功能模塊 D/A