智能儀表非線(xiàn)性自動(dòng)校正方法探討

　　智能儀表的模擬輸入通道一般由傳感器、前置放大電路、有源濾波器、采樣保持電路(S/H)、A/D轉換器和微機系統等電路組成[1]。由于電子元器件性能參數的離散性、穩定性和溫度敏感性等問(wèn)題，目前還得不到根本的解決。因此，從傳感器到A/D 轉換之間的任何一個(gè)環(huán)節都存在非線(xiàn)性的問(wèn)題，使得A/D轉換值n與被測量x不成線(xiàn)性關(guān)系，即n≠ax+b(a、b為常數)[2]。如果不解決這種非線(xiàn)性問(wèn)題，將會(huì )嚴重影響智能儀表的測量精度。常用的非線(xiàn)性校正方法有校正函數法、查表法和模型校正法[s]。

　?、?校正函數法要求傳感器的輸入/輸出特性能用數學(xué)解析式表示，且輸入通道的其它環(huán)節可認為是線(xiàn)性的。事實(shí)上，很多傳感器的輸入/輸出特性很難用解析式表示，并且如果解析式計算太復雜，還會(huì )嚴重影響測量速度。因此，校正函數法的應用受到較大的局限[4]。

　?、?查表法必須針對每一個(gè)傳感器進(jìn)行校正，而且需要把大量的校正數據制成表格存入儀表內存。而一般的智能儀表的內存非常有限;當因故更換傳感器時(shí)，需要重新校正、修訂內存中的表格數據，應用起來(lái)也非常不方便[5]。

　?、?模型校正法的基本原理是設法找到一個(gè)近似函數g1(x)或多個(gè)分段近似函數g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)等來(lái)代替原函數f(x)。模型校正法的關(guān)鍵是如何求出既能滿(mǎn)足精度要求，又能滿(mǎn)足計算簡(jiǎn)單的校正模型。通常校正模型計算太復雜會(huì )影響測量速度，所以采用模型校正法進(jìn)行非線(xiàn)性校正時(shí)，往往采用離線(xiàn)處理的方式[6]。

　　針對智能儀表不便于進(jìn)行復雜計算、內存有限和實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)，在比較了幾種常用的非線(xiàn)性校正方法的基礎上，通過(guò)對智能儀表的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)的一般性分析，運用分段直線(xiàn)逼近曲線(xiàn)的方法，給出了一種通用的智能儀表非線(xiàn)性自動(dòng)校正算法。

　　1 非線(xiàn)性自動(dòng)校正算法

　　采用分段直線(xiàn)方程的非線(xiàn)性校正原理如圖l所示。設儀表的被測量用X表示，儀表中對應的燈D轉換值用N表示，則曲線(xiàn)OM表示儀表的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)?，F將曲線(xiàn)分成若干段，如果分段點(diǎn)的位置和分段數選取合適，則每一段曲線(xiàn)可近似看成是一直線(xiàn)段。這樣，曲線(xiàn)OM就可看成是由若干直線(xiàn)段組成。如圖中虛線(xiàn)段AB、BC可分別近似表示曲線(xiàn)AB和曲線(xiàn)BC。

　　圖1中：曲線(xiàn)OM分段后各段端點(diǎn)對應的被測信號分別為X0, X1,X2，…，Xi-1, Xi, Xi+1,…，Xm;儀表中對應的A/D轉換值分別為N0, N1, N2，…，Ni, Ni+1, … ，Nm。其中，x0為被測量的最小值，Xm為被測量的最大值。顯然線(xiàn)段AB的斜率為：

　　曲線(xiàn)段AB上的點(diǎn)(n,f(n))，可用直線(xiàn)段AB上的點(diǎn)P(n,x)近似表示，而點(diǎn)P滿(mǎn)足：

　　式(2)、式(3)就是得到的分段直線(xiàn)校正方程。其中式(2)可稱(chēng)為點(diǎn)斜式校正方程，因為校正方程由線(xiàn)段上的端點(diǎn)(從Ni-1,Xi-1)和斜率ki決定;式(3)可稱(chēng)為兩點(diǎn)式校正方程，因為校正方程由線(xiàn)段上的兩端點(diǎn)(Ni-1, Xi-1)和(Ni,Xi)決定。

　　在校準時(shí)，若采用點(diǎn)斜式校正方程，則依次把校正方程參數(Ni-1,Xi-1)和ki(其中i=1,2,3，…，m)存入儀表的內存;若采用兩點(diǎn)式校正方程，則依次把校正方程參數(Ni,Xi)(其中i=0,1,2,3，…，m)存入儀表的內存。在實(shí)際測量時(shí)只要先用程序判斷儀表當前的A/D轉換值N位于哪一個(gè)直線(xiàn)段，再從儀表內存中取出相應直線(xiàn)段的校正方程參數，則可由校正方程求出相應的測量值X。

　　從校正方程可以看出，測量值只與校正點(diǎn)的測量數據有關(guān)，而與包括傳感器在內的模擬輸入通道的各環(huán)節的非線(xiàn)性并無(wú)直接關(guān)系。因此，只要儀表的重復性或穩定性較好，即在不同時(shí)刻測量同一被測量X時(shí)，得到的A/D轉換值N始終或基本保持不變，不論非線(xiàn)性是由于傳感器還是因為模擬輸入通道的其它環(huán)節引起的，都可以達到非線(xiàn)性校正的目的，從而保證儀表的測量精度。理論上講，分的段數越多，儀表的測量精度就越高，但相應地，占用儀表的內存也越多，測量速度也會(huì )有少許影響，校準時(shí)也會(huì )稍微復雜。

　　需要指出的是，各種智能儀表存在較大的差異，實(shí)際應用中要視具體情況對非線(xiàn)性校正方程進(jìn)行必要的修正。

　　2 在稱(chēng)重儀表中的應用

　　在電子衡器中，廣泛采用的稱(chēng)重傳感器是壓力或拉力傳感器。不論傳感器的量程多大，其滿(mǎn)度輸出一般為2mV左右，因此，對于同一種類(lèi)型(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))的電子衡器而言，往往可以采用通用的稱(chēng)重儀表。

　　電子衡器尤其是商用電子衡器，不僅對稱(chēng)重精度有很高的要求，而且對實(shí)時(shí)性也有較高的要求。因此，稱(chēng)重儀表的非線(xiàn)性校正必須采用在線(xiàn)方式。

　　2.1 非線(xiàn)性自動(dòng)校正方程的修正

　　在稱(chēng)重儀表中，最小測量值x0=0kg，對應的零點(diǎn)值N0≠0，而且會(huì )隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化而變化，實(shí)際測量時(shí)，各校正點(diǎn)Xi對應的A/D轉換值Ni(i=1,2,3,…)也會(huì )因零點(diǎn)的變化而相應發(fā)生變化。也就是說(shuō)，環(huán)境溫度變化后，實(shí)際測量時(shí)，當被測量為 Xi時(shí)，儀表內部獲取的A/D轉換值不再是校正時(shí)的Ni，從而使得按上述校正方程式(2)或式(3)求取的測量校正值是錯誤的或不準確的。

　　實(shí)驗證明，稱(chēng)重儀表的零點(diǎn)值N0受環(huán)境溫度的影響較大，而其非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)受環(huán)境溫度的影響較小[7]。如圖1中所示，N0發(fā)生變化后，可以近似認為非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)OM只是適當左移或右移。也就是說(shuō)，盡管N0是變化的，而Ni-N0(i=1,2,3，… )可以認為是不變的。

　　一般來(lái)說(shuō)，每天的不同時(shí)刻都會(huì )存在一定的溫差，但每天的溫度變化都非常緩慢，稱(chēng)重儀表的零點(diǎn)在使用過(guò)程中的變化也非常緩慢。根據這個(gè)特點(diǎn)，我們完全可以用軟件的方法實(shí)現零點(diǎn)跟蹤，即在某個(gè)較短的時(shí)間段(如0.5s)內，若采樣到的A/D值n與之前的零點(diǎn)N0之差的絕對值不超過(guò)某個(gè)較小的數值，則令N0=n。

　　鑒于儀表的零點(diǎn)值N0受環(huán)境溫度的影響較大，非線(xiàn)性校正方程要作相應的修正：不管是校正時(shí)還是實(shí)際測量時(shí)，均把得到的A/D轉換值減去零點(diǎn)值N0。此時(shí)，點(diǎn)斜式校正方程修正為：