用單片機軟件實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償
加入技術交流群
1 引言
本文引用地址：http://2s4d.com/article/21004.htm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(nèi)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(jīng)放大及a／d轉(zhuǎn)換送到單片機，單片機通過并行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)。信號采樣結(jié)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(jié)二極管等。原理框圖如圖1。
2 建立溫度誤差的數(shù)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(chǎn)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(shù)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(shù)，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(shù)值求出系數(shù)m0，m1，m2后，存放在相應的內(nèi)存單元，然后根據(jù)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(shù)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?shù)姆椒?
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(shù)據(jù)要精確，必要時應在恒溫箱內(nèi)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(nèi)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(nèi)存，構(gòu)成一個線性表，采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)值：
式中： yij—溫度ti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?qū)懭雰?nèi)存，數(shù)據(jù)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(jié)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。
評論