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非线性自校正 一 传感器非线性校正原因 智能仪表的模拟输入通道一般由传感器、前置放大电路、有源滤波器、采样保持电路 S/H 、A/D转换器和微机系统等电路组成。传感器非线性的产生是生产过程中敏感芯片在工艺上处理不当造成的,为提高精度对其进行非线性的线性化校正在许多测试计量场合中是十分必要的。传感器就是一种以一定的精确度将被测物理量 如位移、力、加速度等 转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。狭义地定义为:能把外界非电信号转换成电信号输出的机器或装置。传感器的作用就是把光、声音、温度等各种物理量转换为电子电路能处理的电压或电流信号。理想传感器的输入物理量与转换信号量呈线性关系,线性度越高,则传感器的精度越高,反之,传感器的精度越低。在自动检测系统中,我们总是期望系统的输出与输入之间为线性关系,但在工程实践中,大多数传感器的特性曲线都存在一定的非线性度 有时又称为线性度与积分线性度 误差,另外,非电量转化电路也会出现一定的非线性。传感器非线性特性产生的原因从传感器的变换原理可以看出,利用各类传感器把物理量转换成电量时,大多数传感器的输出电量与被测物理量之间的关系都存在一定的非线性,这是数据采集系统产生非线性特性的主要原因,其次是变换电路的非线性,现分别叙述如下:传感器变换原理的非线性。 如用热敏电阻测量,热敏电阻R与t的关系是Rt A?exp B/T （1） 式中,T 273+t,t为摄氏温度;A,B均为与材料有关的常数,显然Rt与t呈非线性。如电桥,电桥是将电路参数 L,R,C 的变化转换成电压或电流输出的一种测量电路。电桥在单臂工作时 Z1 Z2 Z3 Z4,Zi ∞ ,输出电压U0为 （2） 该式表明Z与U0关系是非线性的。很多近似线性关系的转换电路,都是相对于一定精度与范围而言的,因此为了提高系统的测量精度,保证系统的线性输出,必须对系统进行线性化处理,也就是非线性的线性化校正。分别从硬件和软件两方面给出了校正的方法,并对硬件、软件校正的优缺点做出了总结非线性的线性化校正采用何种方法,要根据实际应用的要求来确定用硬件电路实现非线性特性线性化主要有以下几种敏感元件是非电量检测的感受元件,它的非线性对后级影响很大,我们应尽量使它线性化,如式 1 中,热敏电阻Rt与t呈非线性关系,我们可以采用一个附加线性电阻与热敏电阻并联,所形成的并联等效电阻Rp与t有近似线性关系,如图1,Rp的整段曲线呈S形。电路并联的电阻R可由 4 式确定。 （3） （4） 图1 并联等效电阻曲线 其中是热敏电阻在低温,中温和高温下的电阻值。采用电容传感器时,极板的位移和电容量之间成非线性函数关系见式 5 ,然而如果采用容抗X 1/ωC作为传感器的输出,则X与被测量位移成线性关系了,X可称为“校正函数” 5 6 2.1.3 折线逼近法 将传感器的特性曲线用连续有限的直线来代替,然后根据各转折点和各段直线来设计硬件电路,这就是最常用折线逼近法。转折点越多,各段直线就越逼近曲线,精度也就越高,但太多了就会因为线路本身误差而影响精度,所以转折点的选取与要求的精度和线路有密切的联系,在实际应用中,应采取具体问题具体分析的办法。此外,采用硬件方法校正中还有抛物线逼近法、线性提升法、测量桥电路线性化等等。总之,硬件方法校正,因为其本身需要采用较多的硬件电路,在实际中做到完全校正是很困难的。随着计算机技术的广泛应用,特别是单片机的迅速发展,在数据采集系统中用软件 程序 进行非线性校正得到了越来越广泛的应用。用软件方法实现传感器的非线性校正采用软件方法进行非线性补偿,其方法有3种:计算法、查表法和插值法。计算法就是在软件中编制一段数学表达式的计算程序。当输出信号与传感器的参数之间有确定的数学表达式的时候,就可以采用计算法进行非线性补偿。当被测参数经过采样、滤波后,直接进入计算程序进行计算,计算后的数字即为经过线性化处理的输出参数。在工程中,被测参数和输出电压常常是一组测定的数据,这时,如采用计算法进行线性化处理,则可应用数学上曲线拟合的方法得出误差最小的近似表达式。理论直线法 如图2 a 所示,以传感器的理论特性作为拟合直线,它与实际测试值无关。优点是简单、方便,但通常Lm很大。端点线法 如图2 b 所示,以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线,这种方法也很简便,但lm也很大。端点平移法 以传感器校准曲线两端点间的连线平移所得的直线作拟合直线,该直线能保证传感器正方向校准曲线对它的正、负偏差相等并且最小,如图 c 所示。 最小二乘法 这种方法按最小二乘法原理求取拟合直线,该直线能保证传感器校准数的残差平方和最小。当计算公式涉及到三角函数、对数、指数和微积分运算的时候,某些参数计算非常复杂,程序编制起来比较麻烦,用计算法计算程序冗