测量仪表中线性误差自动校准的实用方法.doc

测量仪表中线性误差自动校准的实用方法 刘海江 ,刘 刚 ( 鞍山科技大学 高等职业技术学院 ,辽宁 鞍山 114044) 摘 要 :针对测量仪表研发过程中传感器存在的分散性问题 ,比如同一型号的传感器 ,由于生产工艺及技术 问题也存在一定的差异 ,这就要求仪表要具有校准功能 . 以前多是人工调整 ,通过研究及试验 ,现给出线性误 差自动校准的实用方法 . 并以压力传感器为例 ,分别介绍了应用纯硬件 、软件及硬件相结合 、纯软件的不同校 准方法 . 关键词 :自动校准 ;智能仪表 ;传感器 中图分类号 : TP9301115 文献标识码 :A 文章编号 :1672Ο4410 (2003) 06Ο0453Ο04 传感器都存在一定的误差 , 可分为线性误差和非线性误 差 . 以 前 讨 论 的 多 是 非 线 性 误 差 校 准 问 . 随着新技术 、新工艺的不断应用 ,传感器本身的非线性误差已能控制在一定的限度内 . 所以 ,当制 题1 作的测量仪表在换接不同的传感器时只需进行线性误差校准. 这就要求设计仪表时 ,设计误差校准电 路 . 以前多采用电阻 、电位器 、晶体管及通用运算放大器等组成增益可调整电路 ,这样的电路体积大 ,调 节复杂 ,调试不便 . 模拟器件的参数容易在温漂 、时漂时发生变化 ,造成测量误差. 现代测控仪表都嵌入 微处理器作为核心 ,充分发微处理器作用 ,采用软件 、硬件或软硬件结合等手段 ,将传感器的线性误差 (如温度 、压力等) 控制在一定限度内 ,得到准确的测量结果 . 线性误差讨论 通过对一系列传感器的测试 ,发现不同传感器之间存在一定的分散性 ,即灵敏度不同. 以压力传感 器为例 ,在实际测试中每个传感器线性度都很好 , 但不同传感器的负荷与输出电压有一定的分散性. 同样是 5 000 kg 的压力传感器 ,输出曲线如图 1 所 示 . 传感器的输入Π输出关系可用下公式表示 1 U = Ta (1) 式中 , U 为传感器输出电压值 ; T 为物体质量 ; a 转 换系数 , a = 20 mVΠ5 000 kg = 4 ×10 - 6 mVΠkg . 图 1 三个压力传感器输出曲线 Fig. 1 Output curve of third sensor 当使用图 2 的测量系统 ,经过标定实验得到的静态输出 Y 和输入 X 的特性为一理想直线 ,可用下面 公式表示 Y = ( X - X0 ) K (2) 图 2 负荷测量系统 Fig. 2 Carry measure system 式中 Y 为校准后的值 ; X 为测量值 ; X0 为零点测量值 ; K 为灵敏系数 , 又称测量系统的转换增益. 图 1 中 X01 , X02 所示不同传感器在空载时输出电压是不同的 ,有时大于 0 mV ,有时小于 0 mV ,但都 属于零点误差 X0 . 如图 1 中的不同传感器输出曲线 X1 , X2 , X3 . 由于各种内在和外在因素的影响 ,造成公 式 (2) 中的 X0 , K 不能保持恒定不变 ,既有恒定部分 X0h , Kh ,也有零位漂移量ΔX0 ,增益变化量Δ K. 所以  在设计压力测量系统时需对这种线性误差进行校准 ,最好通过智能化处理手段实现自动校准. 零位误差 X0 容易解决 ,如通过微处理器来读入空载时读入的测量值为 X0 并存储. 在校准时将 X0 通过多字节加 Π减法子程序实现 ;灵敏系数的获得和实现校准则复杂的多. 在研发天车负荷测量系统时 为了实现线性误差校准 ,曾分别试验过多种方法 :纯硬件方式 、纯软件方式 、软硬件结合等不同方式. 2 自动校准的方法 211 纯硬件方式 这种方法适合于测量信号变化快的系统 ,硬 件较为简单 ,且不需软件配合 . 如采用高精度仪 器放大器 AD620 ,只需要一个外接电位器就能方 便地进行灵敏度 1 - 1 000 的调整 ,达到线性误 差的自动校准目的 . 电路如图 3 , 其增益调整可 按公式 A = 1 - (4914ΠRg ) KΩ 计算获得 . 调节电位器 Rg 就能改变放大器的增益 ,达 到修正误差的目的 ,调整简单且是连续的 . 此方 图 3 AD620 引脚图和灵敏度调整电路 Fig. 3 AD620 feet and adjustment circuit of sensitivity 式需根据现场情况进行手动调节 ,调整准确度较差. 在温度变化大 、环境潮湿 、灰尘大的工作环境下 ,电 位器电阻值会发生漂移或永久改变 ,造成放大器增益改变 ,增加测量误差 . 212 软件 、硬件结合的方式 为了克服上述电路由