單片機傳感器測量系統溫度誤差補償的解決方案

　　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(chǎng)合更是如此。依靠傳感器本身附加一些簡(jiǎn)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已大量引入了單片機，實(shí)現自動(dòng)檢測和控制。因此用單片機自身的特點(diǎn)，利用軟件來(lái)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中，要解決傳感器溫度誤差補償問(wèn)題，首先要測出傳感器點(diǎn)的溫度，該溫度信號作為多路采樣開(kāi)關(guān)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(lái)測量傳感器點(diǎn)的環(huán)境溫度，測溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉換送到單片機，單片機通過(guò)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(jìn)行補償。對多個(gè)傳感器，可用多個(gè)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(xué)模型

　　溫度變化給傳感器實(shí)際測量帶來(lái)誤差，表現在傳感器的輸入輸出特性曲線(xiàn)上產(chǎn)生非線(xiàn)性變化。為解決這樣問(wèn)題，必須使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，找出它們間的關(guān)系，建立對應的數學(xué)模型。傳感器特性曲線(xiàn)y=f(x)，如圖2所示。

　　我們可以把該曲線(xiàn)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(diǎn)之間的曲線(xiàn)用直線(xiàn)近似，這樣可以利用線(xiàn)性方法求出輸入值x所對應的輸出值，這就是線(xiàn)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(xiàn)的斜率變化很大，采用線(xiàn)性插值法，誤差就很大，這時(shí)可采用二次曲線(xiàn)插值法，即通過(guò)曲線(xiàn)上3個(gè)點(diǎn)A(x0、y0)，B(x1、y1)，C(x2、y2)做一拋物線(xiàn)，用此曲線(xiàn)代替原來(lái)的曲線(xiàn)，如圖3所示。曲線(xiàn)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(xiàn)y=f(x)的3個(gè)點(diǎn)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(jiàn)，利用3個(gè)已知點(diǎn)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(diǎn)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(xué)模型，用此模型可實(shí)現傳感器溫度補償。

　　3 實(shí)現溫度誤差補償的方法

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