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用單片機軟件實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償
用單片機軟件實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償
 更新時間:2008-8-3 16:30:13  點擊數:8
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1引言

對高精度傳感器,溫度誤差已成為提高其性能的嚴重障礙,特別是在環(huán)境溫度變化較大的應用場合更是如此。依靠傳感器本身附加一些簡單的硬件補償措施是很困難的,目前對于一傳感器測量系統(tǒng)已大量引入了單片機,實現(xiàn)自動檢測和控制。因此用單片機自身的特點,利用軟件來解決傳感器溫度誤差難題是一條有效途徑。

在一單片機傳感器測量系統(tǒng)中,要解決傳感器溫度誤差補償問題,首先要測出傳感器點的溫度,該溫度信號作為多路采樣開關采集信號的一路送入單片機。測溫元件通常是安裝在傳感器內靠近敏感元件的地方,用來測量傳感器點的環(huán)境溫度,測溫元件的輸出經放大及A/D轉換送到單片機,單片機通過并行接口接收溫度數據,并暫存溫度數據。信號采樣結束,單片機運行溫度誤差補償程序,對傳感器信號的溫度誤差進行補償。對多個傳感器,可用多個測溫元件,常用的測溫元件有半導體熱敏電阻、AD950測溫管、PN結二極管等。原理框圖如圖1。





2建立溫度誤差的數學模型

溫度變化給傳感器實際測量帶來誤差,表現(xiàn)在傳感器的輸入輸出特性曲線上產生非線性變化。為解決這樣問題,必須使問題簡單化,找出它們間的關系,建立對應的數學模型。

傳感器特性曲線y=f(x),如圖2所示。





  我們可以把該曲線按一定要求分成若干段,在此設分成n段,然后把相鄰兩段點之間的曲線用直線近似,這樣可以利用線性方法求出輸入值x所對應的輸出值,這就是線性插值法。設輸入值在(xi, xi+1)之間,則其對應的輸出值y可由下式求得:


從上式可知,只要n取得足夠大就可獲得良好的精度。

若傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率變化很大,采用線性插值法,誤差就很大,這時可采用二次曲線插值法,即通過曲線上3個點A(x0、y0),B(x1、y1),C(x2、y2)做一拋物線,用此曲線代替原來的曲線,如圖3所示。曲線方程為一元二次方程,一般形式為:

y=K0+K1x+K2x2

式中K0,K1,K2為待定系數,可用曲線y=f(x)的3個點A,B,C的二元一次方程組求解,這就需要解聯(lián)立方程組,計算較復雜,列出的程序也較復雜,因此可以用另外一種型式:


由此可見,利用3個已知點A,B,C的數值求出系數m0,m1,m2后,存放在相應的內存單元,然后根據某點的x值代入式(1)即可求出被測值y。

以上是對傳感器建立溫度誤差的數學模型,用此模型可實現(xiàn)傳感器溫度補償。





3實現(xiàn)溫度誤差補償的方法

首先給定K個溫度值(T0,T1,T2,…,TK-1),測出每個溫度點上傳感器靜態(tài)特性曲線在u 軸上的截距(u0,u1,…,uK),每個溫度點上傳感器特性曲線的數據要精確,必要時應在恒溫箱內進行,這需要較大的工作量,如圖4所示。





  圖中y為被測物理量,u為輸出電壓,利用最小二乘法曲線擬合求出截距u的多項式:


將b0,b1,b2,…,bK和計算上式的子程序送入內存,溫度值T0,T1,…,TK-1和傳感器對應的輸出電壓值u0,u1,…, uK-1按順序分配方式存入內存,構成一個線性表,采集數據時,CPU按線性查找對應溫度的電壓值u,并按下式計算對應的被測物理量y:

y =(u-U) tgα

式中U是溫度直線在坐標上的截距,可用線性插值由輸入的T求得,α是溫度直線與縱坐標軸u的夾角。

 按圖5流程編制補償程序,并作為子程序與監(jiān)控程序一并使用,以便采集數據時按流程圖自動溫度補償。

 






  對溫度特性曲線斜率變化大的傳感器,一般采用分段線性插值法,在不同溫度T(i=1,2,…,K)下測出下列數值:


式中: yij—溫度Ti時第j次輸入傳感器的被測物理量;

  uij—溫度Ti時第j次測得的傳感器輸出電壓。

用擬合法求出各溫度上的傳感器靜態(tài)輸出輸出特性的擬合多項式:


將b0,b1,b2,…,bk和以上多項式的計算程序寫入內存,數據采集過程按圖6流程圖進行溫度補償,即由輸入T和u查找和計算y值,采用的分段線性插值方法,只要K足夠大,其誤差就足夠小。

4結語

用單片機的軟件實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償,是一種簡便、有效的方法。它可以大大提高傳感器的測量精度,降低測量系統(tǒng)電路的復雜程度,提高可靠性,降低成本。特別是如硅阻、應變片、電容式等傳感器受溫度影響大,使用該方法可以提高它們測量精度。目前單片機廣泛使用在自動檢測儀表中,使用該方法實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償,是一條行之有效的途徑。

 

參考文獻

1 張友德,等.單片微型機原理、應用與實現(xiàn).上海:上海復旦大學出版社,1996

2 徐開先,等.實用新型傳感器及其應用.遼寧科技出版社,1995

[1]



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