一種具有借鑒意義的傳感器輸入標定技術

引言

在工業(yè)自動化生產(chǎn)、自動控制系統(tǒng)、非電量電測系統(tǒng)中,廣泛使用了種類繁多的傳感器，在測量和控制過程中起著重要作用。傳感器獲取現(xiàn)場物理信號的正確與否，直接關系到整個系統(tǒng)的測量精度。

1傳感器輸入通道

本文只針對模擬傳感器即輸出模擬量電信號進行討論,并不涉及有關數(shù)字傳感器。通常，計算機系統(tǒng)一般對傳感器的接入如圖1所示。

這里以力傳感器（多為mV級信號）為例，首先，經(jīng)多路采樣開關采樣，進入放大器進行直流放大，最后放大的信號被送入ADC（模擬/數(shù)字轉換器），期間對快速瞬變的信號還須經(jīng)采樣保持處理。ADC將放大后的模擬電壓信號轉換成數(shù)字信號，送入計算機系統(tǒng)的這些數(shù)字量信息，雖代表各種物理量參數(shù)值的大小，仍須經(jīng)過標度變換（工程量變換），將它轉換成原來參數(shù)的真實值，以便進行顯示、計算和處理。

要保證計算機系統(tǒng)能獲取到現(xiàn)場真實被檢測信息，保證系統(tǒng)的準確度，有必要采取不失真的變換方法來獲取現(xiàn)場真實信息，對傳感器輸入通道的各個環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一的標定。

2輸入標定思想

一般情況下，位移輸入沒有類似力反饋的內部硬件增益。圖2所示是力、位移傳感器輸入標定模塊圖。通常位移反饋信號（LVDT或電位計式）的放大計算類似力傳感器信號的放大,但是它們同樣需要計算增益，并使?jié)M量程的最大最小值保持在±10V。圖3所示是力、位移傳感器輸入標定比較圖。

首先來研究力傳感器的輸入。與計算機系統(tǒng)連接的力傳感器，是一個連接有激勵電壓的惠斯通電橋，它能夠輸出以mV為單位的反饋信號。這個信號的強弱與激勵電壓有關，如激勵電壓采用10V，要由非常精確的線性電源提供（內部或獨立的外置電源），力傳感器最終的輸出信號與在力傳感器上施加的外部力成比例，這個mV級信號即計算機系統(tǒng)測量的力信號。

其次是確定已選力傳感器靈敏度。力傳感器靈敏度是由計量部門使用標準測力機檢定得出的，并在力傳感器檢定證書中標明。例如，力傳感器靈敏度為1.9798mV/V。

然后是確定硬件增益。為了使ADC獲得最佳的分辨率，這個mV級信號需要通過硬件增益來放大，以使信號盡可能逼近滿量程的±10V。用戶確定特定力傳感器所需要的一擋增益是非常簡單的，如表1所列。

對于具有確定靈敏度系數(shù)的力傳感器來講，放大后的信號電壓范圍可采用如下公式進行計算：

放大后的信號電壓=激勵電壓值×力傳感器靈敏度×放大系數(shù)

每一級放大系數(shù)都有一個對應的理想力傳感器靈敏度,它是能給出最大放大效果的那一個靈敏度。例如，對于硬件增益500倍來說，對應的力傳感器的理想靈敏度為2mV/V。任何超過2mV/V的信號都將導致總放大后的信號超過10V和A/D轉換器輸入的飽和。這將被視為信號截斷，從而無法達到全量程測量。可以看到采用放大系數(shù)500時最接近10V,表明沒有信號被截斷，因此它就是我們需要的最理想的放大系數(shù)。下面通過幾個方面來進行說明。

2.1A/D轉換器

傳感器信號經(jīng)過調理即放大后，就要被送入到ADC進行轉換。由于放大器和ADC本身有微小的誤差，通常有必要對數(shù)字輸出信號進行修正以便獲得一個更精確的信號。這通過輸入通道標定增益（CalibrationGain）和零偏（CalibrationOffset）來實現(xiàn)。

2.2力傳感器修正

反饋信號隨后通過一個以10級20行表格形式構成的軟件放大器做進一步的修正。這個表格的目的是用來修正力傳感器的非線性，采用多步分段式的方法。通常力傳感器的非線性區(qū)出現(xiàn)在使用極限狀況下（100%量程），因此通常采用一個傳感器標定增益和零偏就足夠了。

2.3力傳感器標定零偏

對于具有特定靈敏度的力傳感器，以下的例子計算結果都少于10V，這表明沒有信號截斷。例如：

10X1.934mV/VX500=9.670V

10X2.321mV/VX250=5.800V

然而，±10V的整個測量范圍卻沒有達到。為了使反饋信號放大到滿量程的最大、最小力，就要使用力傳感器標定增益（10級表格）。

為了快速確定力傳感器所需標定增益，一是用對應的理想最大輸入電壓除以實際放大后信號電壓，二是用對應的理想靈敏度除以實際靈敏度，表3和表4所列就是兩種計算力傳感器標定增益的方法值。

由于力傳感器的靜態(tài)零偏或作用在力傳感器上的其他質量，測量信號中將會看到零偏。利用10級表格零偏列參數(shù)輸入可消除這個偏移，以全量程的百分比值輸入后的力傳感器標定零偏如表5所列。

自此，軟件中的讀數(shù)將以滿量程的百分比形式準確地顯示，或以工程值準確顯示。

3輸入標定過程

以力傳感器輸入通道的標定過程為例予以說明。力的標定過程分為兩部分進行。

3.1輸入通道增益和零偏的標定

如采用一個獨立的精確電源作為輸入，返回信號需要通過一個1MQ的電阻連接到模擬地。避免由信調器電路的輸入電流的偏差而帶來的輸入電壓的不穩(wěn)定。同樣，也需要測量激勵電壓在電纜末端的電壓值，并把它考慮進來。所以，強烈建議用戶采用標定盒來進行標定。

確定已連力傳感器的靈敏度，例如，力傳感器靈敏度為1.9798mV/V,

確定反饋信號量程范圍是從-10?+10V。為了能夠充分利用整個量程，最理想的辦法是采用放大系數(shù)，這個放大因子可以把反饋信號放大到±10V范圍內。通過兩個步驟來實現(xiàn)，一是采用硬件增益，另一是輸入通道標定增益。

現(xiàn)以硬件增益為例，選擇能夠把反饋信號放大到小于或等于10V的放大系數(shù)?？梢钥吹讲捎梅糯笙禂?shù)500倍時最接近10V，因此它就是我們需要的最理想的放大系數(shù)。必須確保最終電壓不超過極限（-10?+10V）。若超過了極限，可能出現(xiàn)無法預測的后果。

在確定了硬件增益后，再把一個mV級高精度電源或一個標定盒或參考力傳感器連接到計算機系統(tǒng)的傳感器輸入通道上。

由于放大器和ADC不是完全理想的，自身存在很小的誤差，達到的增益不可能確切就是所選擇的硬件增益。為了確保最終信號不會高于+10V或低于-10V，建議標定工作在滿量程的50%范圍內進行。

例如，與所選硬件增益500對應的理想靈敏度為：

10V反饋電壓/（10V激勵電壓X500）=2mV/V

需要注意的是，激勵電壓以+5V、-5V形式給出，而要以一個mV級高精度電源來仿真模擬力傳感器輸出信號，一般可選擇+10mV和-10mV作為輸出來模擬50%的載荷。這樣:

5V激勵電壓（50%的10V激勵電壓）X2mV/V=10mV因此有：

10mVX500=5000mV反饋電壓（50%的10V反饋電壓）

為力傳感器輸入通道施加代表50%量程的模擬信號輸入（10mV）,同時將力反饋拖入到軟件的圖形取樣窗口中，可以看到顯示的平均值接近50%。為了把這個值調整到準確的50%，就需要對輸入通道進行標定。選擇菜單中的“Calibrate”按鈕，就可以打開如圖4所示的窗口。

圖4輸入通道標定增益和零偏

對話框中的“CurrentValues”方框中顯示來自輸入反饋的mV電源、標定盒或參考力傳感器的當前電壓百分數(shù)值?！癠nsealedvalue”應該顯示一個接近-50%的讀數(shù)。點擊“Copy”，把這“Unsealedvalue”復制到“Unsealedvalue”列的第一行。隨后，在“Sealedvalue”列的第一行中輸入我們的期望值（-50%）。

轉換mV級電源或力傳感器的極性?！癠nsealedvalue”應該顯示一個接近+50%的讀數(shù)。把這個值復制到“Unsealedvalue”列的第二行，并在“Sealedvalue”列的第二行輸入+50%的值。

現(xiàn)在，按下“Calculate（計算）”按鈕，軟件開始計算該傳感器輸入通道標定增益和零偏以達到期望的Sealed值。按下“Apply（應用）”按鈕，這些值將被保存到計算機軟件系統(tǒng)中。3.2力傳感器的增益和零偏標定

這個問題實際上就是力傳感器標定的設定，即參數(shù)表格中的增益和零偏。

上述輸入通道標定增益和零偏，都是以理想力傳感器靈敏度進行的，而最終實際的力傳感器靈敏度并不等同于理想力傳感器靈敏度，因此為了得到真實的力反饋信息，就需要對上述輸入通道的標定增益和零偏進行修正［4］。方法如下：

（1）對實際力傳感器的靈敏度進行補償。修正系數(shù)利用公式計算：

修正系數(shù)=理想靈敏度（mV/V）/實際靈敏度（mV/V）示例：LC靈敏度修正系數(shù)=2/1.9798=1.0102。

（2）系統(tǒng)的最終增益。利用公式計算：

系統(tǒng)的最終增益=輸入通道標定增益XLC靈敏度修正系數(shù)示例:系統(tǒng)最終增益=1.00437X1.0102=1.01461。

（3）將真實力傳感器連接到傳感器輸入通道后，用手拉或壓一下力傳感器來檢查增益的符號。如果不正確的話，給系統(tǒng)增益改變一下正負號。

（4）由于力傳感器自身的靜態(tài)零偏或施加在力傳感器上的質量，可以看到一個小的零點偏移。在軟件圖形窗口中看到的偏移值，從系統(tǒng)零偏（Systemoffset）中加上或減去（如果需要的話）這個值。

（5）保存力傳感器的LC靈敏度修正系數(shù)、系統(tǒng)最終增益和系統(tǒng)零偏（Savetheeonfiguration）到軟件系統(tǒng)中。

至此，就完成了實際力傳感器的輸入標定。

4結語

本傳感器（力、位移）輸入標定實現(xiàn)方法，首先按實際要接入的傳感器相對應的理想傳感器對輸入通道（硬件）進行標定，得到理想傳感器輸入通道標定增益和零偏；最后對實際要接入的傳感器（軟件）進行補償，得到系統(tǒng)最終增益及系統(tǒng)零偏。

這一方法可方便、精確地實現(xiàn)計算機系統(tǒng)傳感器輸入標定。譬如，一個力傳感器需要經(jīng)常在計量部門標定，只需根據(jù)新標定的實際靈敏度，重新計算出LC靈敏度修正系數(shù)、系統(tǒng)最終增益及得到系統(tǒng)零偏，即可完成對該對力傳感器的輸入標定。這一方法已經(jīng)在計算機測控系統(tǒng)［5］得到應用，效果良好，值得推廣和借鑒。

20211023_617413f341cde__一種具有借鑒意義的傳感器輸入標定技術