现代测试技术-检测信号的线性化.pptVIP

中国石油大学信息与控制工程学院中国石油大学信息与控制工程学院中国石油大学信息与控制工程学院*现代测试技术2013.9第三章、检测信号的线性化现代检测技术1非线性特性的处理方法第一节、非线性特性的处理方法3.1非线性特性的处理方法线性的优势：减小读数误差；利于处理和分析测量结果；便于检测系统的制造、调校和使用。非线性的产生：检测用传感器输出输入特性的非线性；其它元件的输出输入特性的非线性；检测系统输出输入关系的非线性特性是影响测量精度的重要因素，采用线性化技术是提高测量系统精度不可或缺的技术手段。3.1非线性特性的处理方法1.指示仪表采用非线性刻度只适用于模拟式指示仪表，不适用于数字式指示仪表；非线性刻度增加了估读的难度，使得测量结果中读数误差变大；采用这种非线性刻度的表不符合现代化生产对高精度测量结果的要求；例如：采用欧姆定理在被测电阻两端施加恒定电压，通过测量流过它的电流来确定其阻值的大小时，输出输入关系是非线性的。2.提高输出输入关系的线性度寻找具有较高线性度的输出输入关系的传感器；研究测量原理，改进测量方法，改善输出输入特性的非线性。3.减小测量范围线性范围与精度的关系在0～x1之间近似为线性关系时，最大误差为δ1；在0~x2之间近似时，最大误差为δ2。3.1非线性特性的处理方法3.1非线性特性的处理方法减小测量范围测量范围减小的程度与近似特性曲线的选取方法有关如图所示，在工作点位置相同、测量精度相同的条件下，采用直线①作为近似特性曲线时不如采用直线②时测量范围宽。近似特性曲线的选取(a)最大正负误差不相等；(b)最大正负误差相等3.1非线性特性的处理方法例：反射强度调制型光纤位移传感器原理从特性曲线可以看出，AB段的测量范围窄但灵敏度大，CD段的测量范围宽但灵敏度小。可根据需要将工作点选在M1或M2。光纤位移传感器输出输入特性3.1非线性特性的处理方法4.利用多传感器进行非线性补偿应变片上下对称安装不同桥路连接利用非线性补偿环节进行补偿增加非线性补偿环节(或称为线性化器)，改善整体非线性;线性化器既可用硬件实现，也可用软件实现。早期使用的线性化器，如凸轮机构、非线性电位器等。这些装置因笨重、可靠性低和补偿精度低，都已被淘汰。随着线性集成电路的出现、发展和成熟，在测量电路中利用线性集成电路构成的线性化器获得了广泛应用。随着计算机技术的发展，用软件对测量装置的非线性进行补偿与修正，因成本低、效果好，也越来越多地受到了重视。3.1非线性特性的处理方法3.2线性化器原理1、关键问题：根据其他环节的已知特性，求得所需的线性化器的输出输入特性。解析法，当知道其他环节输出输入关系的解析表达式时；图解法，当某些环节的非线性特性用解析表达式表示比较困难时；线性化器的实现。硬件：通常用折线逼近法来实现；软件：编程（非线性插值、神经网络法等；）3.2线性化器原理线性化器原理线性化器输出输入特性的求取方法开环补偿方式开环补偿方式原理框图传感器将被测量x变换成电量u1，是非线性变换；放大器将u1放大为u2，是线性变换。3.2线性化器原理A.解析法假设上图中传感器、放大器及整个测量装置所要求的输出输入特性的解析表达式分别为：01式中：K、S、a、b均为已知常数；f1函数的形式为已知。02解得：03例如，下图所示的热电偶温度测量装置，已知热电偶的输出ET近似可表示为（5）式中：T为被测温度；a、b为常数。热电偶温度测量装置放大器的输出输入特性为：（6）整个测量装置所要求的输出输入特性为：（7）线性化器输出输入特性的解析表达式为：（8）3.2线性化器原理(2)图解法求开环补偿方式线性化器的特性①将传感器的非线性特性曲线u1?=?f1(x)画在直角坐标系的第Ⅰ象限，x为横坐标，u1为纵坐标。②式(2)中a?=?0，将放大器的特性曲线u2?=?Ku1画在第Ⅱ象限，u1为纵坐标，u2为横坐标。③假设式(3)中b?=?0，将整个测量装置的特性曲线uo?=?Sx画在第Ⅳ象限，x为横坐标，uo为纵坐标。④用点1，2，…，n将x轴分为n段，过点1作垂线，与曲线u1?=?f1(x)相交于点1(1)，与直线uo?=?Sx相交于点1(4)。过点1(1)作水平线与直线u2?=?Ku1相交于点1(2)。过点1(2)作垂线，过点1(4)作水平线，这两条线在第Ⅲ象限相交于点1(3)，则点1(3)就是所求线性化器输出输入特性曲线上的一点。同理，可求得线性化器输出输入特性曲线上的点2(3)，3(3)，…，n(3)。用