摘要 論文題目：電阻式變送器非線性誤差的補(bǔ)償 學(xué)科專業(yè)：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器 研究生：李蕾 指導(dǎo)教師：李大成副教授 答辯日期：2 0 0 8 年3 月 摘要 簽名：盟 簽名：盍盔叢 傳感器的輸出信號(hào)常為非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，易受電磁信號(hào)的影響，不能長(zhǎng)距離傳輸，且其 后續(xù)環(huán)節(jié)需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，使得傳感器的設(shè)計(jì)成本增加，通用性降低。如果將傳感器轉(zhuǎn)化為 輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，這些問(wèn)題將得到解決。變送器作為檢測(cè)系統(tǒng)的核心元件，其測(cè)試 的準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的性能起著決定性的作用?，F(xiàn)今，如何提高變送器的線性度，已成為 了國(guó)內(nèi)外研究的一項(xiàng)重要課題。本課題的主要內(nèi)容就是設(shè)計(jì)變送器電路和補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn) 電阻式變送器的非線性誤差補(bǔ)償。 此次設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是陜西秦明電子集團(tuán)生產(chǎn)的c y g l 0 1 型壓阻式壓力傳感器，這 類傳感器的零位時(shí)漂很低，均小于0 1 m v 4 h ，但其非線性誤差相對(duì)于重復(fù)性誤差和遲滯 誤差較高，造成了傳感器的整體精度不高。所以，對(duì)于這類傳感器來(lái)說(shuō)，能否提高精度， 關(guān)鍵在于其非線性誤差的補(bǔ)償。 。 課題首先分析了壓阻式傳感器非線性誤差的來(lái)源及其補(bǔ)償原理，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)兩 類不同的非線性特性給出補(bǔ)償電路模型及參數(shù)選擇方法。通過(guò)對(duì)美國(guó)模擬器件公司 ( a n a l o gd e v i c e s ) 的a d 6 9 3 和b b 公司( b u r r b r o w n ) 的x t r l l 5 變送器電路的分 析對(duì)比，本文自行設(shè)計(jì)壓阻式變送器非線性誤差補(bǔ)償電路。該電路不僅能將微弱的傳感器 信號(hào)轉(zhuǎn)化為 4 2 啦佚標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，還能對(duì)傳感器的非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償。 在對(duì)整個(gè)變送器進(jìn)行非線性等誤差測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)電路的功能和性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì) 要求，將精度為干分級(jí)的普通壓阻式壓力傳感器轉(zhuǎn)換成了精度在萬(wàn)分級(jí)的高精度的壓力變 送器。該變送器補(bǔ)償電路適用于一切電阻橋式傳感器的非線性補(bǔ)償，通用性強(qiáng)，非常適合 大批量生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：電阻式傳感器；變送器；非線性誤差；補(bǔ)償 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t i t l e ：n o n l i n e a re r r o rc o m p e n s a t i o no fr e s i s t a n c e t r a n s d u c e r m a j o r ：t e c h n o l o g y i n s t r u m e n t a t i o no ft e s t i n ga n dm e a s u r i n g n a m e ：l e il i s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f d a c h e n gl i a b s t r a c t s i g n a t u r e ：叢丘 t h eo u t p u ts i g n a l so fs e n s o r sa r en o tu s u a l l ys t a n d a r da n dl i a b l et ob ed i s t u r b e db y e l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l s ，s ot h e yc a nn o tb et r a n s m i t t e d f o rl o n gd i s t a n c e s ，a n dn e e d s e p a r a t e l y - d e s i g n e ds u b s e q u e n ts e r v i c ec i r c u i t s ，w h i c hi n c r e a s et h ec o s ta n dd e c r e a s et h e c o m m o n a l i t yo ft h e s es e n s o r s h o w e v e r , i f s e n s o rc a nb ei m p r o v e da n dc h a n g e di n t ot r a n s d u c e r w h i c ho u t p u t ss t a n d a r ds i g n a l ，t h i sp r o b l e mw i l lb es o l v e d t r a n s d u c e ri sac o r ec o m p o n e n ti n m e a s u r i n gs y s t e m s ，a n di t sa c c u r a c yp l a yad e c i s i v er o l ei nt h ep e r f o r m a n c eo fm e a s u r i n g s y s t e m s n o w a d a y s ，h o wt oe n h a n c et h en o n l i n e a r i t yo ft r a n s d u c e rh a sa l r e a d yb e c o m ea n i m p o r t a n tt a s kb o t ha th o m ea n da b r o a d t h em a i nt a s ko ft h i sp r o j e c ti st od e s i g nt r a n s d u c e r a n dt h e i rc o m p e n s a t i o nc i r c u i t s ，a n dr e a l i z e sc o m p e n s a t i o nf o rt h en o n l i n e a re r r o r so fr e s i s t a n c e 仃a n s d u c e r s t h i sd e s i g ni sa i m i n gt oi m p r o v ep i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o rc y g l0 1 ，ap r o d u c to f s h a a n x iq i n m i n ge l e c t r o n i cg r o u p c y g l o l sn u l ls h i f ti sl e s st h a n0 1 m v 4 h ，b u ti t s n o n l i n e a re r r o ri sr e l a t i v e l yh i 曲c o m p a r e dt oi t sr e p e a t a b i l i t ye r r o ra n dh y s t e r e s i se r r o r , w h i c h m a k et h eo v e r a l lp r e c i s i o no ft h i ss e n s o rn o tv e r yh i g h c o n s e q u e n t l y , t h ek e yp r o b l e mt o i m p r o v et h ep r e c i s i o no f t h i ss e n s o ri sw h e t h e rt h en o n l i n e a re r r o rc a nb ef i x e d i nt h i st h e s i s ，w ef i r s t l ya n a l y z et h en o n l i n e a re r r o rs o u g c e so ft h ep i e z o r e s i s t i v es e n s o ra n d t h e i rc o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t i o np r i n c i p l e ，a n dt h e nb r i n gf o r w a r dc o m p e n s a t i o nc i r c u i t m o d e l sa n d p a r a m e t e rc h o o s i n gm e t h o d f o rt w od i f f e r e n tk i n d so fn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c t h e n ， an o n l i n e a re r r o rc o m p e n s a t i o nc i r c u i tf o rp i e z o r e s i s t i v et r a n s d u c e ri sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d o nt h eb a s i so fc o m p a r i s o na n da n a l y s i sb e t w e e nt h ea d 6 9 3f r o ma n a l o gd e v i c e sc o r p o r a t i o n a n dt h ex t r ll5f r o mb u r r b r o 、7 mc o r p o r a t i o n t l l i sc i r c u i tc a nn o to n l yc h a n g es e n s o r w e a ks i g n a li n t o ( 4 - - - 2 ( 燦s t a n d a r ds i g n a l ，b u ta l s oc o m p e n s a t en o n l i n e a re r r o r 乃et e s tr e s u l t so fn o n l i n e a re r r o re x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo f 2 a b s t l a c t t h en e wd e s i g nc i r c u i th a v em e tt h ec h a l l e n g e t h eo l dp i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o rw i t h t h o u s a n d t hp r e c i s i o nh a sb e e ni m p r o v e da n db e c o m eah i 曲一p r e c i s i o np r e s s u r et r a n s d u c e rw i t h o n et e nt h o u s a n d t hp r e c i s i o n t h ec o m p e n s a t i o nc i r c u i to fn o n l i n e a re r r o rp r o p o s e di nt h i s t h e s i sc a nb ea d o p t e df o ra n yk i n do fr e s i s t a n c es e n s o r s ，s oi th a ss t r o n gc o m m o n a l i t ya n dc a n b ep r o d u c e di nl a r g es c a l e k e yw o r d s ：r e s i s t a n c es e n s o r ；t r a n s d u c e r ；n o n l i n e a re r r o r ；c o m p e n s a t i o n 3 獨(dú)創(chuàng)性聲明 秉承祖國(guó)優(yōu)良道德傳統(tǒng)和學(xué)校的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)鄭重申明：本人所呈交的學(xué)位論文是我 個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本文所研究的工 作和成果的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并已致謝。 本論文及其相關(guān)資料若有不實(shí)之處，由本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任 論文作者簽名： 奈螽 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 加8 年弓月形日 本人一鏘 在導(dǎo)師的指導(dǎo)下創(chuàng)作完成畢業(yè)論文。本人已通過(guò)論文的答辯， 并已經(jīng)在西安理工大學(xué)申請(qǐng)博士碩士學(xué)位。本人作為學(xué)位論文著作權(quán)擁有者，同意 授權(quán)西安理工大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：1 ) 已獲學(xué)位的研究生按學(xué)校規(guī)定 提交印刷版和電子版學(xué)位論文，學(xué)校可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存研究生 上交的學(xué)位論文，可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索；2 ) 為 教學(xué)和科研目的，學(xué)?？梢詫⒐_的學(xué)位論文或解密后的學(xué)位論文作為資料在圖書館、 資料室等場(chǎng)所或在校園網(wǎng)上供校內(nèi)師生閱讀、瀏覽。 本人學(xué)位論文全部或部分內(nèi)容的公布( 包括刊登) 授權(quán)西安理工大學(xué)研究生部辦 理。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后，適用本授權(quán)說(shuō)明) 論文作者簽名：j 奎疊 導(dǎo)師簽名：拯峻一 跏g 年弓月j 莎日 緒論 1 緒論 1 1 傳感器與變送器 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)g b t 7 6 6 5 1 9 8 7 傳感器通用術(shù)語(yǔ)中，傳感器的定義是一種能夠感受規(guī) 定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置1 1 。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：傳感器是一 種以一定精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝 置。這一定義包含以下四方面的意思2 ： ( 1 ) 傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)； ( 2 ) 它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等； ( 3 ) 它的輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種 量可以是氣、光、電量，但主要是電量； ( 4 ) 輸出和輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖如圖1 1 所 示。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān) 系的某一種量的元件；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電路參量； 而基本轉(zhuǎn)換電路可將上述電信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測(cè)值或進(jìn) 行過(guò)程控制。 圖1 - 1 傳感器組成框圖 f i g 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs e n s o r ， 變送器是從傳感器發(fā)展而來(lái)的。輸出為非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器，必須和特定的儀表或裝 置配套，才能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)或調(diào)節(jié)功能。為了加強(qiáng)通用性和靈活性，傳感器的輸出必須轉(zhuǎn)換成 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，使之與帶有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入電路或接口的儀表配套。一般來(lái)說(shuō)，凡是能輸出標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)的傳感器都稱為變送器。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是指物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的信 號(hào)。例如直流電流當(dāng)前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為( 4 - - 2 0 h a a 、空氣壓力為( 2 0 - - 1 0 q k p a 。我國(guó)還有不少變 送器以直流電流【肛l 啦認(rèn)為輸出信號(hào)。無(wú)論被測(cè)量是哪種物理量或化學(xué)參數(shù)，也不論測(cè) 量范圍如何，經(jīng)過(guò)變送器后的信息都必須包含在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之中。有了統(tǒng)一的信號(hào)和數(shù)值范 圍，就便于把各種變送器和其它儀表組成檢測(cè)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)。無(wú)論什么儀表或裝置，只要有 同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就可以從各種變送器獲得被測(cè)信息。這樣，兼容性和互換性 大為提高，儀表的配套也極為方便n 1 。 傳感器和變送器都具有檢測(cè)某種變量并把檢測(cè)結(jié)果傳送出去的功能，被廣泛應(yīng)用于工 業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域，是獲取、處理、傳送各種信息的硬件。按照傳統(tǒng)的觀念，傳感器 歸于檢測(cè)技術(shù)，變送器則屬于自動(dòng)化儀表，通常把兩者放在不同的學(xué)科中加以介紹 3 1 0 然 而對(duì)于非檢測(cè)技術(shù)或非自動(dòng)化儀表專業(yè)的廣大技術(shù)工作者來(lái)說(shuō)，面臨的任務(wù)往往是根據(jù)生 1 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 產(chǎn)科研的需要解決具體的檢測(cè)問(wèn)題。因此，傳感器和變送器的知識(shí)應(yīng)該緊密地聯(lián)系起來(lái)， 綜合地加以研究。 1 2 課題的來(lái)源與現(xiàn)實(shí)意義 隨著新技術(shù)革命的到來(lái)，世界已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先要解決 的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手 段。現(xiàn)今，傳感器已廣泛應(yīng)用于諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào) 查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、文物保護(hù)、安全防范、家用電器等領(lǐng)域。從茫茫太空到浩瀚的 海洋，從各種復(fù)雜工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行，幾乎每一個(gè)領(lǐng)域都離不開各種各樣的 傳感器。可以毫不夸張地說(shuō)，2 1 世紀(jì)的社會(huì)，將是充滿傳感器的世界。 根據(jù)a r c 咨詢機(jī)構(gòu)的研究中國(guó)的壓力變送器前景表示，壓力變送器市場(chǎng)預(yù)計(jì)在 今后的五年中以1 1 4 的復(fù)合年增長(zhǎng)率( c a g r ) 增長(zhǎng)。隨著傳感器在各學(xué)科和工程領(lǐng)域的 廣泛應(yīng)用，人們?yōu)榱双@取更為精確的信息，對(duì)傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和抗干擾性有了更 高的要求，所以補(bǔ)償技術(shù)在傳感器中得到廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)的運(yùn)用大致是針對(duì)兩種情況： 一種是針對(duì)傳感器本身特性，另一種是針對(duì)傳感器的工作條件。 傳統(tǒng)的非線性補(bǔ)償方法只能將非線性誤差減小到o 1 ，已難以滿足市場(chǎng)的要求，再 加上高精度的同時(shí)也帶來(lái)高價(jià)位的問(wèn)題。例如：美國(guó)霍尼韋爾公司生產(chǎn)的精度0 0 6 5 的 差壓變送器，價(jià)格將近萬(wàn)元。這給國(guó)內(nèi)用戶帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)，也對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)造成 了一定的影響。本課題將針對(duì)壓力變送器進(jìn)行非線性誤差的補(bǔ)償，開發(fā)出高精度的壓力變 送器釘。 課題所采用傳感器的是由陜西秦明電子集團(tuán)提供的c y g l 0 1 型壓阻式壓力傳感器。 這類傳感器是利用半導(dǎo)體材料硅的壓阻效應(yīng)而制成。由于半導(dǎo)體材料組成的壓阻式傳感器 普遍存在著溫漂、非線性等問(wèn)題，因此對(duì)其進(jìn)行壓力變送器設(shè)計(jì)過(guò)程中要進(jìn)行非線性補(bǔ)償。 課題在提高精度并降低成本這兩大中心任務(wù)的要求下，提出一種既簡(jiǎn)單又能從根本上 提高精度的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)變送器電路和補(bǔ)償電路，設(shè)計(jì)開發(fā)出壓阻式傳感器的非線性補(bǔ) 償系統(tǒng)，并開發(fā)出高精度、低成本壓力變送器，非常適合批量生產(chǎn)。 1 3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 傳感與控制技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱。在高度發(fā) 展的現(xiàn)代社會(huì)中，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化已成為人所共知的發(fā)展趨 勢(shì)，而它們的共同要求是必須建立在有著不斷發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎(chǔ)上，信息技術(shù)對(duì) 社會(huì)發(fā)展、科學(xué)進(jìn)步起到了決定性的作用。而一切科學(xué)研究與自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程都需要通過(guò) 傳感器獲取準(zhǔn)確的工程信息，因而傳感器技術(shù)是現(xiàn)代高科技發(fā)展的關(guān)鍵。 在現(xiàn)代傳感測(cè)量領(lǐng)域，傳感器與變送器的區(qū)別已經(jīng)逐漸淡化。伴隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷 發(fā)展，傳感器和變送器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不被人們所熟知的變送器也逐漸 進(jìn)入廣大技術(shù)工作者的視線。隨著二十一世紀(jì)現(xiàn)代科技革命的到來(lái)，傳感器和變送器正引 2 緒論 起國(guó)內(nèi)外電子信息界的高度重視。從某種意義上可以將傳感器及變送器的發(fā)展水平作為衡 量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)從6 0 年代開始對(duì)傳感技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā)，國(guó)內(nèi)在高精度的補(bǔ)償系統(tǒng)研究領(lǐng)域 正處于方興未艾階段。鑒于目前國(guó)內(nèi)傳感器及變送器與國(guó)外存在很大差距，但卻有廣泛的 生產(chǎn)和使用基礎(chǔ)，我國(guó)更應(yīng)該加大傳感器研究的力度。作為一名從事或有志于從事這個(gè)領(lǐng) 域的技術(shù)工作者，都應(yīng)該對(duì)傳感器和變送器的發(fā)展給予高度的重視。 國(guó)外近年來(lái)，帶有補(bǔ)償技術(shù)的傳感器發(fā)展很快，向著集成化、小型化、智能化和數(shù)字 化方向發(fā)展。典型產(chǎn)品有m o t o r o l a 公司生產(chǎn)的m p x 2 1 0 0 、m p x 4 1 0 0 a 、m p x 5 1 0 0 、m p x 5 7 0 0 系列單片集成硅壓力傳感器；美國(guó)h o n e y w e l l 公司生產(chǎn)的s t 3 0 0 0 系列智能壓力傳感器等。 很多公司還推出了在傳感器內(nèi)部集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器( d a c ) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器( a d c ) 的智能 信號(hào)調(diào)理芯片，可以補(bǔ)償失調(diào)、失調(diào)溫度漂移、靈敏度、靈敏度溫度漂移和非線性等多個(gè) 參數(shù)吲。 對(duì)于傳感器的矯正與補(bǔ)償，還有一種方法是采用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這種方法具有 補(bǔ)償精度高、工作穩(wěn)定、體積精巧和傳輸方便等特點(diǎn)。這種方法組成的傳感器信號(hào)調(diào)理電 路也把傳感器輸出電路與變送器形成一體，即為現(xiàn)今的智能變送器“1 。 1 。4 本課題的特點(diǎn)及主要內(nèi)容 本課題改進(jìn)了壓力傳感器的補(bǔ)償方法，大大降低了壓力傳感器的非線性誤差，提高了 傳感器的精度。課題的主要工作包括： ( 1 ) 設(shè)計(jì)高精度壓阻式變送器輸出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電路； ( 2 ) 對(duì)壓阻式變送器的非線性補(bǔ)償原理進(jìn)行研究； ( 3 ) 設(shè)計(jì)壓阻式變送器非線性補(bǔ)償?shù)挠布娐罚?( 4 ) 壓阻式變送器非線性補(bǔ)償電路的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)； ( 5 ) 實(shí)驗(yàn)測(cè)試，誤差分析，證實(shí)方案可行。 3 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 電阻式傳感器 電阻式傳感器是把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，可用于測(cè)量壓 力、位移、應(yīng)變、加速度、溫度等非電量參數(shù)n 1 。一般來(lái)說(shuō)，電阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性 能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。 2 1 傳感器的特性 傳感器的特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系。當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)，稱為 靜態(tài)特性：當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快地變化時(shí)，稱為動(dòng)態(tài)特性“1 。 一般來(lái)說(shuō)，傳感器輸出與輸入關(guān)系可用微分方程來(lái)描述。將微分方程中的一階及以上 的微分項(xiàng)都取為零時(shí)，便可得到傳感器的靜態(tài)特性，這時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無(wú)關(guān)， 即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì) 應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來(lái)描述n 1 。顯然，傳感器的靜態(tài)特性只是動(dòng)態(tài)特性 的一個(gè)特例。 實(shí)際上，傳感器除了描述輸出輸入關(guān)系的特性之外，還有很多與使用條件、使用環(huán)境、 使用要求等有關(guān)的特性。 2 1 1 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互 關(guān)系。人們總希望傳感器的輸出與輸入具有的線性關(guān)系。但由于存在著遲滯、摩擦、間隙 和松動(dòng)等各種因素的影響，使輸出輸入對(duì)應(yīng)關(guān)系的唯一確定性不能實(shí)現(xiàn)。表征傳感器靜態(tài) 特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力、遲滯和重復(fù)性等7 1 。 8 非線性度 傳感器的輸出輸入關(guān)系或多或少地存在非線性問(wèn)題。如圖2 1 所示，標(biāo)定曲線與擬和 直線的偏離程度就是非線性度n 1 。如果在全量程y f s 輸出范圍內(nèi)，標(biāo)定曲線偏離擬和直線 的最大偏差為缸腿。，則定義非線性度為 = ( 址。y f s ) x 1 0 0 ( 2 1 ) b 4 x 圖2 - 1 非線性度 f i g 2 - 1d e g r e eo f n o n l i n e a r i t y 曲線 電阻式傳感器 b 重復(fù)性 重復(fù)性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎氚赐环较蜻B續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線不一致的程度“1 。 圖2 2 所示為輸出曲線的重復(fù)性，正行程的最大重復(fù)性偏差為欲一l ，反行程的最大重復(fù) 性誤差為欲m a ，【2 。重復(fù)性偏差取這兩個(gè)偏差之中較大者足一，再以滿量程y f s 輸出的百分 數(shù)表示，即 垠= ( 欲一y f s ) x 1 0 0 ( 2 2 ) 多次按相同輸入條件測(cè)試的輸出特性曲線越重合，表示其重復(fù)性越好，誤差越小。 c 遲滯 傳感器和變送器在正( 輸入量增大) 反( 輸入量減小) 行程中輸出曲線的不重合稱為 遲滯。遲滯特性如圖2 3 所示，它一般是由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。遲滯誤差一般以滿量程輸出 的百分?jǐn)?shù)表示，即 靠= ( 皚一y f s ) x 1 0 0 ( 2 。3 ) 式中。，是指正、反行程間輸出的最大差值。 y 魄 o 譬 圖2 2 重復(fù)特性圖2 3 遲滯特性 f i g 2 - 2r e p e t i t i v e n e s sf i g 2 3h y s t e r e s i s d 靈敏度 傳感器輸出的變化量緲與引起該變化量血之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達(dá)式為： s = 緲缸 ( 2 4 ) 由此可見，傳感器輸出曲線的斜率就是其靈敏度。斜率越大，其靈敏度就越高。對(duì)具 有線性特性的傳感器來(lái)說(shuō)，其特性曲線的斜率處處相同，靈敏度s 是一常數(shù)，與輸入量無(wú) 關(guān)。而對(duì)于非線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其靈敏度s 是變量，是輸入輸出關(guān)系曲線的斜率，輸入量不 同，靈敏度就不同，通常用擬合直線的斜率表示系統(tǒng)的平均靈敏度。要注意靈敏度越高， 就越容易受外界干擾的影響，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越差，測(cè)量范圍相應(yīng)就越小1 1 。 e 靜態(tài)誤差 靜態(tài)誤差是指?jìng)鞲衅髟谄淙砍虄?nèi)任一點(diǎn)的輸出值與其理論值的偏離程度。靜態(tài)誤差 的求取方法如下：把全部輸出數(shù)據(jù)與擬合直線上對(duì)應(yīng)值的殘差，看成是隨機(jī)分布，求出其 5 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 標(biāo)準(zhǔn)差o ，即 6 = 躒函 ( 2 5 ) 式中各測(cè)試點(diǎn)的殘差； 玎測(cè)試點(diǎn)數(shù)。 一般取20 和3o 值為傳感器的靜態(tài)誤差1 1 。靜態(tài)誤差也可以用相對(duì)誤差來(lái)表示， y = + ( 3 0 y f s ) 1 0 0 ( 2 6 ) 靜態(tài)誤差是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，它基本上包括了前面敘述的非線性誤差、遲滯誤差、重 復(fù)性誤差等，若這幾項(xiàng)誤差是隨機(jī)的、獨(dú)立的、正態(tài)分布的，也可以把這幾個(gè)單項(xiàng)誤差綜 合，即 7 = 龍+ 庀+ 霹 ( 2 7 ) f 分辨力 分辨力是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定測(cè)量范圍內(nèi)可能感受到的被測(cè)量的最小變化的能力1 。它表 示的是檢測(cè)系統(tǒng)分辨輸入量微小變化的能力。 通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn) 生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。上述指標(biāo)若用滿量程的百分 比表示，則稱為分辨率。 2 1 2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性8 1 。很多傳感器要在動(dòng) 態(tài)條件下檢測(cè)，被測(cè)量可能以各種形式隨時(shí)間變化。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出 量也將是時(shí)間的函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，總是希望傳感器的輸出隨時(shí)間變化的關(guān)系能復(fù)現(xiàn)輸入量 隨時(shí)間變化的關(guān)系，但實(shí)際上除了具有理想比例特性的環(huán)節(jié)外，輸出信號(hào)不可能與輸入信 號(hào)完全一致。這種輸出與輸入之間的差異稱為動(dòng)態(tài)誤差。 數(shù)學(xué)上，通常用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)機(jī)理分析或系統(tǒng)辨識(shí)求 得動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，并進(jìn)行頻域分析，全面研究傳感器 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然后就可以利用傳感器的數(shù)學(xué)模型研究動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒?，改善?dòng)態(tài)特性等。 在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。這是因 為傳感器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它 對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信 號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性常以階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)為基礎(chǔ)，由輸出按一定的計(jì)算關(guān) 系直接求出輸入端信號(hào)，以達(dá)到減小檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差的目的。這些方法稱為動(dòng)態(tài)誤差修 正。常見的動(dòng)態(tài)誤差修正方法有數(shù)值微分法、疊加積分法、頻率域修正法和反卷積法等9 。 6 電阻式傳感器 2 2 電阻式傳感器的類型 由于構(gòu)成電阻的材料種類很多，例如導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液等。而引起電阻變化 的物理原因也很多，例如，導(dǎo)體、半導(dǎo)體的長(zhǎng)度變化或內(nèi)應(yīng)力變化，溫度變化等，根據(jù)這 些不同的物理原理，就產(chǎn)生了各種各樣的電阻式傳感器。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電阻式可分為應(yīng)變式 傳感器和壓阻式傳感器兩種6 1 。 2 2 1 應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將測(cè)量物體變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感 器，是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。它是將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片 粘貼于被測(cè)試件上，彈性體或試件的變形通過(guò)基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，其電阻值發(fā)生 相應(yīng)的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，即可測(cè)量應(yīng)變8 1 。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)， 可構(gòu)成測(cè)量力、壓力、荷重、應(yīng)變、位移、速度、加速度等各種參數(shù)。這種測(cè)試技術(shù)具有 以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，使用方便，性能穩(wěn)定可靠； ( 2 ) 分辨率高，能測(cè)出極微小的應(yīng)變，如( 1 2 擻應(yīng)變( 1 虎= 1 x l o 南m m m m ) ； ( 3 ) 靈敏度高，測(cè)量范圍大，測(cè)量速度快，適合靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量； ( 4 ) 易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量、遠(yuǎn)距測(cè)量和遙測(cè)； ( 5 ) 價(jià)格便宜，工藝較成熟，便于選擇和使用，可用測(cè)量多種物理量。 因此，它在航空航天、機(jī)械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等多種領(lǐng)域都有很 廣泛的應(yīng)用。金屬絲和箔式電阻應(yīng)變片的性能穩(wěn)定、精度較高，至今仍在不斷的改進(jìn)和發(fā) 展中，并在一些高精度應(yīng)變式傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用，但是這類傳感器的應(yīng)變絲的靈 敏度系數(shù)小。為了改進(jìn)這一不足，在2 0 世紀(jì)5 0 年代木出現(xiàn)了壓阻式傳感器。 2 2 2 壓阻式傳感器 固體受到作用力后，電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻 效應(yīng)特別強(qiáng)。沿一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加壓力使其變形時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生顯著變化。 利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱為壓阻式傳感器伯1 。 早期的壓阻傳感器是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的粘貼型壓阻傳感器，它的傳感元件是用 半導(dǎo)體材料的體電阻制成的粘貼式應(yīng)變片；2 0 世紀(jì)7 0 年代以后，研制出周邊固支的力敏 電阻與硅膜片一體化的擴(kuò)散型壓阻傳感器，它的傳感元件是利用集成電路工藝，在半導(dǎo)體 材料的基片上制成的擴(kuò)散型壓敏電阻。它易于批量生產(chǎn)，能夠方便的實(shí)現(xiàn)微型化，集成化 和智能化，因而已成為受到人們普遍重視并重點(diǎn)開發(fā)的具有代表性的新型傳感器。壓阻式 傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率響應(yīng)高，體積小。 2 3 壓阻式壓力傳感器 本論文中研究的是壓阻式壓力傳感器。壓阻式壓力傳感器又稱為擴(kuò)散硅壓力傳感器， 7 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 它是利用半導(dǎo)體材料硅的壓阻效應(yīng)制成的傳感器3 1 。硅的壓阻效應(yīng)是在1 9 5 4 年由 c s s m i t h 首先發(fā)現(xiàn)的，1 9 5 6 年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出了硅力敏電阻。目前使用最多的是單晶 硅半導(dǎo)體，它具有十分優(yōu)良的力學(xué)彈性。硅材料的單晶結(jié)構(gòu)使硅壓阻式壓力傳感器的遲滯 極小，重復(fù)性極好；硅的壓阻系數(shù)較大，使用溫度范圍較寬。這類傳感器隨著硅集成電路 平面工藝的完善而得到高度的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用作高靈敏度，高精度的微型真空計(jì)、 絕對(duì)壓力計(jì)、流速計(jì)、流量計(jì)、聲傳感器、氣動(dòng)過(guò)程控制器等。它在生物、醫(yī)療、航天、 海洋工程、原子能等各種尖端科技和工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的用途。 壓阻式壓力傳感器的突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、工作溫度范 圍寬、尺寸小、橫向效應(yīng)小、滯后和蠕變小、抗干擾能力強(qiáng)、便于批量生產(chǎn)與使用方便等。 其缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜、非線性嚴(yán)重、受溫度影響大、重復(fù)性較差。因此，在使用時(shí)必須 采取非線性補(bǔ)償措施；在溫度變化較大的環(huán)境中使用時(shí)，還必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 本課題針對(duì)陜西秦明電子集團(tuán)提供的c y g l 0 1 型壓阻式壓力傳感器，進(jìn)行變送器電 路和非線性補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)，將這種精度在千分級(jí)的普通壓阻式壓力傳感器轉(zhuǎn)換精度在萬(wàn)分 級(jí)的高精度壓力變送器。 2 4 壓力變送器 壓力傳感器在液位測(cè)量環(huán)境的特殊性決定了壓力傳感器普遍采用2 0 怖a 直流電流 形式傳輸。這樣，壓力傳感器和傳輸電路就組成壓力變送器。壓力變送器是直接與被測(cè)介 質(zhì)相接觸的現(xiàn)場(chǎng)儀表，常常在高溫、低溫、腐蝕、振動(dòng)、沖擊等環(huán)境中工作。在石油、化 工、電力、鋼鐵、輕工等行業(yè)的壓力測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)控制中應(yīng)用非常廣泛。 早期壓力變送器多采用大位移式工作原理，如水銀浮子式差壓計(jì)及膜盒式差壓變送 器，這些變送器精度低且笨重。2 0 世紀(jì)5 0 年代后，有了精度稍高的力平衡式差壓變送器， 但反饋力小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性、穩(wěn)定性和抗振性均較差；隨著新工藝、新材料、新技術(shù) 的出現(xiàn)，尤其是電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，位移式變送器體積越來(lái)越小，結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單。9 0 年代后，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，變送器逐漸向智能化發(fā)展，數(shù)字信號(hào)的傳輸更有利于數(shù)據(jù)采 集。壓力變送器發(fā)展至今已有電容式變送器、擴(kuò)散硅壓阻式變送器、差動(dòng)電感式變送器和 陶瓷電容式變送器等不同類型1 2 3 1 。 2 0 世紀(jì)9 0 年代中期，美國(guó)i c s e n s o r s 公司、n o v a 公司應(yīng)用硅精蝕和硅晶片疊合兩項(xiàng) 尖端科技生產(chǎn)了新型擴(kuò)散硅壓力傳感器并開發(fā)出具有精度高，重復(fù)性小，抗腐蝕的擴(kuò)散硅 壓力變送器。在國(guó)內(nèi)，1 9 9 3 年長(zhǎng)沙礦山研究院也開發(fā)出了具有極高性價(jià)比的s b p 8 0 0 型 擴(kuò)散硅壓力變送器( 在首鋼、長(zhǎng)嶺煉油等數(shù)十家大中型企業(yè)推廣使用) ，其工作原理如圖 2 4 所示。壓力通過(guò)隔離膜片、密封硅油傳輸?shù)綌U(kuò)散硅膜片上，同時(shí)參考端的壓力( 大氣 壓) 作用于膜片的另一端。這樣膜片兩邊的壓差產(chǎn)生一個(gè)壓力場(chǎng)，使膜片的一部分壓縮， 另一部分拉伸，在壓縮區(qū)和拉伸區(qū)分別由兩個(gè)應(yīng)變電阻片，以感受壓力引起的阻值的變化， 從而將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 8 電阻式傳感器 參考端壓力 1 應(yīng)變電阻2 硅膜片3 隔離膜片4 硅油 圖2 _ 4 擴(kuò)散硅壓力變送器示意圖 f i g 2 _ 4t h es k e t c hm a po fd i f f u s e ds i l i c o np r e s s u r et r a n s d u c e r 9 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 傳感器非線性誤差的修正 在數(shù)字儀表中，對(duì)非電量進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量所使用的傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)就是數(shù)據(jù)的 線性化。但對(duì)于傳感器來(lái)說(shuō)，輸出信號(hào)的非線性是絕對(duì)的。只在輸入信號(hào)的某一范圍之內(nèi)， 輸出呈線性化，這就導(dǎo)致了使用時(shí)為保證系統(tǒng)的精度與準(zhǔn)確度，必須規(guī)定傳感器的使用范 圍。為了提高儀器和系統(tǒng)的精度，擴(kuò)大其使用范圍和提高系統(tǒng)的性價(jià)比，對(duì)傳感器輸出信 號(hào)或其它模擬信號(hào)進(jìn)行線性化處理與非線性補(bǔ)償就顯得尤為重要。 3 1 傳感器非線性誤差的來(lái)源 許多傳感器因自身的傳感機(jī)理因素而導(dǎo)致檢測(cè)參數(shù)與傳感器輸出信號(hào)呈非線性關(guān)系。 典型例子如鉑電阻溫度傳感器的阻值r 。與被測(cè)溫度t 的關(guān)系，可用以下公式表示： r = r ( 1 + a t + b t 2 ) ( 3 1 ) 式中，r t 、尺。分別為t 和0 。c 時(shí)鉑電阻值。其中，a 3 。9 6 8 4 x 1 0 c ，b = - 5 8 4 7 x 1 0 。c 。 從上式可明顯看出，傳感器自身產(chǎn)生了非線性誤差1 2 5 1 。 在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器通常需要接轉(zhuǎn)換電路，而轉(zhuǎn)換電路同樣也會(huì)產(chǎn)生非線性誤差， 例如常用的四臂平衡電橋如圖3 1 所示。 圖3 - 1 四臂平衡電橋示意圖 f i g 3 1t h ef o u r - b r a n c hb a l a n c e db r i d g ec i r c u i t 圖3 1 中，天1 為溫度傳感器，在基準(zhǔn)溫度下的阻值為r 1 、r 2 、尺3 、皿為精密電阻。a 點(diǎn)電位為： b 點(diǎn)電位為： 那么： 1 0 礦：墨竺y 。8 足+ 欲+ 墨。 k 亍志礦 ( 3 2 ) ( 3 3 ) = 圪一k = 而r , + a ry 一彘y ( 3 4 ) 傳感器非線性誤差的修正 式中y 為供橋電壓，a r 為溫度傳感器r 1 的變化值。在基準(zhǔn)溫度下，溫度傳感器尺l 的變化值a r 為零，電橋平衡時(shí)有r 1 m 鎦2 r 3 ，那么電橋輸出為零；當(dāng)溫度變化，溫度傳 感器r 1 產(chǎn)生a r 的變化值，電橋失去平衡，這時(shí)電橋有不平衡電壓輸出，那么： v 0 - - - - 2 雨y 5 ， 顯然，與欲是非線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生了非線性誤差 2 5 1 。 3 2 傳感器非線性誤差的補(bǔ)償方法 從上述的分析中可知，傳感器的非線性主要來(lái)自于其自身及其轉(zhuǎn)換電路兩方面。因此， 要消除傳感器的非線性，首先是在傳感器自身的輸入輸出函數(shù)上消除，其次在后續(xù)電路上 消除。 傳感器自身的非線性特性主要表現(xiàn)在它的輸入輸出函數(shù)上，要消除傳感器自身的非線 性誤差，應(yīng)當(dāng)從其輸入輸出函數(shù)上著手。如果通過(guò)變換函數(shù)，使函數(shù)成為一個(gè)線性函數(shù)， 則傳感器自身的非線性就可得到消除n 釘。以電容傳感器為例：電容傳感器電容c 與極板 間距d 之間的關(guān)系為： c ：竺( 3 6 ) 玩 當(dāng)電容式傳感器極板間距磊因被測(cè)量變化而變化d 的變化值時(shí)，電容變化量a c 為： a c ：竺一竺：竺絲：c o 絲 ( 3 7 ) d o 一dd qd od o 一醐d o 一酗 式中，c o 為極板間距為而時(shí)的初始電容量，如果采用容抗x c = 1 ( o c 作為傳感器的輸 出，則就與被測(cè)量位移d 就成了線性關(guān)系： 群：上：l ：皇絲 ( 3 8 ) 。緲c c o ( c o + a c ) o ) e s 這種方法在理論上完成消除了非線性誤差，簡(jiǎn)單有效。 通過(guò)變換函數(shù)的方法可以使傳感器自身的非線性得到線性化，但有些傳感器的輸入輸 出函數(shù)較為復(fù)雜，不能轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，這時(shí)就應(yīng)該在其轉(zhuǎn)換電路上采用非線性誤差補(bǔ)償 方法來(lái)加以線性化。這些方法可分為硬件補(bǔ)償方法和軟件補(bǔ)償方法這兩種。 3 2 1 硬件補(bǔ)償方法 硬件補(bǔ)償方法大體來(lái)說(shuō)可以分為兩類：一類是改變電源電壓的硬件補(bǔ)償方法，另外一 類是電源電壓恒定的硬件補(bǔ)償方法。 a 改變電源電壓硬件補(bǔ)償方法 改變電源電壓硬件校正方法的基本思想是在電橋式傳感器電路中，將電路的輸出信號(hào) 反饋到電橋的供橋電壓，使得傳感器的供橋電壓隨輸出信號(hào)變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)輸出信 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 號(hào)與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系 2 e l ?；谶@種思想的補(bǔ)償電路有很多種，這里僅舉一例簡(jiǎn)單說(shuō) 明。設(shè)傳感器橋路的四臂平衡電阻值均為r ，傳感器的阻值尺。與傳感器電阻變化量z 之 間的關(guān)系為r x = ( h z 皿。設(shè)橋路供橋電壓為k ，則橋路輸出) 為： ，= 等毒= 言m x ) ( 3 ” 1 - 一 2 從上式可以看出傳感器的輸出電壓與輸入電壓成非線性關(guān)系。圖3 2 為j 實(shí)用的傳感器非 線性誤補(bǔ)償電路。 圖中的儀器放大器將傳感器的輸出信號(hào)放大4 倍，取其輸出的一部分b ( b 為 反饋系數(shù)，由w 調(diào)節(jié)) 與基準(zhǔn)電壓( 由穩(wěn)壓二極管d z 提供) 一起，經(jīng)l m 3 2 4 綜合 后，反饋到電橋的電源端，使電橋的電源隨的變化而變化。那么： = a v o ( b ) = a v 。f ( x ) = k v 。f ( x ) ( 3 1 0 ) 式中，k 為等效放大倍數(shù)，k = a 4 。 k = f + b v o ( 3 i i ) k ：k v r e f f ( x ) ( 3 1 2 ) r 一一 j - ” 1 - k b f ( x ) 再將f ( x ) = x ( 1 + x 2 ) 代入式( 3 1 2 ) ，可得： 2 巧x v _ ”, x = 而1 ( 3 1 3 ) 1 + 二xl + x f 二一腳1 上一k b 二 從式( 3 1 3 ) 可以看出：當(dāng)k b = i 2 ，即a b = 2 時(shí)，與x 成正比例關(guān)系。也就是說(shuō)只 要放大器的增益和反饋系數(shù)之積等于2 ，即可消除非線性誤差。這種補(bǔ)償方法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn) 確度很高，誤差小于0 0 7 ，但缺點(diǎn)在于調(diào)試較為麻煩。 1 2 傳感器非緦挫誤差的修正 b 電源電壓恒定時(shí)的硬件補(bǔ)償方法 基于電源電壓恒定的硬件補(bǔ)償方法有很多，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)有串、并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)、 改變被測(cè)量零點(diǎn)輸出補(bǔ)償方法、正反饋補(bǔ)償方法、函數(shù)發(fā)生器補(bǔ)償方法等。 ( 1 ) 串、并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù) 在被測(cè)量參數(shù)變化范圍不大的情況下，對(duì)有些非線性傳感器，可以簡(jiǎn)單地用固定電阻 器與傳感器元件串并聯(lián)方式進(jìn)行補(bǔ)償o 當(dāng)串并聯(lián)的電阻被調(diào)整到某值時(shí)，可將傳感器 非線性校正到合理的范圍內(nèi)。這種校j 下方法的優(yōu)點(diǎn)是元件少、成本低、十分簡(jiǎn)便，但校正 范圍一般較窄，主要適用于被測(cè)量變化范圍不大的場(chǎng)合。 ( 2 ) 改變被測(cè)量零點(diǎn)輸出補(bǔ)償方法 有些傳感器的特性在某一段呈較好的線性，實(shí)踐中可以設(shè)法避開非線性段，而直接利 用線性段，改變被測(cè)量的零值輸出就是一種簡(jiǎn)便、有效的方法乜7 1 。這種校正方法極其簡(jiǎn) 單，在被測(cè)量變化范圍不大時(shí)可獲得較好的校正效果。 ( 3 ) 正反饋補(bǔ)償方法 對(duì)有些非線性傳感器，如鉑電阻和銅電阻，當(dāng)溫度變化范圍較寬時(shí)，非線性十分明顯， 其電阻值的變化率隨溫度升高而逐漸減少，因此將信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)反饋到相關(guān)放 大器的輸入端，使放大器的輸入信號(hào)同時(shí)受輸出信號(hào)的影響，便可以實(shí)現(xiàn)較理想的非線性 校正 2 7 j 0 圖3 3 為一實(shí)用鉑電阻傳感器( t r r a l 0 2 b ) 非線性補(bǔ)償電路。 圖3 - 3 鉑電阻傳感器非線性補(bǔ)償電路 f i g 3 - 3n o n l i n e a re r r o rc o m p e n s a t i o nc i r c u i to f p tr e s i s t o rs e n s o r 該電路是把傳感器的輸出電壓珞經(jīng)a 3 反相后，送到a l 的輸入端，構(gòu)成正反饋。在 溫度范圍之內(nèi)，引入適量的正反饋，可以抵消由于溫度升高造成鉑電阻變化率下降的問(wèn)題。 這種校正方法具有范圍寬、校正準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，可將非線性誤差由最大2 ( 瞧5 0 0 ) 降至0 1 左右，但電路復(fù)雜、調(diào)試較麻煩。 1 3 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 函數(shù)發(fā)生器補(bǔ)償方法 有些傳感器的特性曲線是多段的，這時(shí)可采用函數(shù)發(fā)生器校正方法 2 6 1 0 以熱電偶為 例，其擬合曲線為： v o = r o + k l e ( f ) + k 2 e 2 ( f ) ( 3 1 4 ) 因此，實(shí)現(xiàn)上式的輸入輸出關(guān)系的硬件電路可由線性放大器、恒壓源、平方放大器和 加法器組成。電路框圖如圖3 4 所示。這種補(bǔ)償方法電路簡(jiǎn)單，但精度不高。 圖3 _ 4 函數(shù)發(fā)生器校正框圖 f i g 3 - 4t h eb l o c kd i a g r a mo ff u n c t i o ng e n e r a t o rc o r r e c t i o n 3 2 2 軟件補(bǔ)償方法 通過(guò)軟件進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏?，這里介紹幾種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償方法。 a 函數(shù)運(yùn)算法 目前傳感器多數(shù)都具有非線性特性，但有些傳感器的非線性特性可以用函數(shù)關(guān)系來(lái)表 示乜8 1 。對(duì)于此種類型的傳感器，可以把其運(yùn)算規(guī)則( 特性關(guān)系的反函數(shù)) 存入系統(tǒng)的微處理 器，這樣每測(cè)得一個(gè)傳感器的輸出量，就可以