传感器输出信号通用线性处理电路的研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.comSignalProcess＆System摘要：根据电量输出传感器测量物理量的范围，平分二段，分别建立拟合回归方程，并用电路实现之。这种线性处理方法具有通用性。以K型热电偶传感器为实验例子，未经线性处理前，理论线性度为32％，线性处理后，理论线性度为0015％。测量数据标准差为0．00138。结果表明，该方法测量效果良好。关键词：传感器；回归方程；线性处理；电路实现中图分类号：TN710文献标识码：A文章编号：1006-883X(2006)08-0035-0003樊衡_．一_．一一、前言严格地说，所有传感器都是非

2、线性元件，非集成芯片传感器非线性尤为明显。传感器的非线性直接影响检测系统的精度，而且给系统分析带来诸多麻烦。人们对于传感器线性化处理做了大量工作，但一般是针对具体传感器采取具体处理方法(硬件的、软件的)。本文对传感器所测物理量范围平分二段(根据需要也可以分成多段)，用最小二乘原理分别拟合这二段的回归方程【3】，再用电路实现这二个方程，从而使检测电路具有良好的线性关系。不论所测物理量为哪种(声、光、速度、热量、⋯)，只要传感器输出为电量(电压、电流、电荷)，均可采用本文介绍的方法和基本原理进行线性化处理。二、传感器线性处理的基本原理传感器输出信号非线性误差是用

3、线性度来描述的。线性度是用实测的检测系统输入一输出特性曲线与拟合直线之间的最大偏差与满量程输出的百分比来表示[4，，即有：Er：×100％(1)由于线性度(非线性误差)是以所参考的拟合直线为基准线算得的，所以基准线不同，所得线性度就不同。拟合直线的选取方法很多，常采用理理论直线作为拟合直线而确定的检测系统线性度。理论直线通常取连接理论曲线坐标零点和满量程输出点的直线。如图1所示。若某个传感器所测物理量的范围为：岛，把的范围平分二段：≤B；B，庐2-B1)／2。每段对传感器测试，1个点，采用最tj~--乘拟合回归方程【6】，就可以得到传感器分段线性化近似方程：

4、第一段(B)：=口0+a1+a2+⋯+auUeN(2)维普资讯http://www.cqvip.com■与Signa系lProce统ss&System第二段(B)：Y2=bo+6IUe+62+⋯+6Ⅳ度的关系见表1。从表1中可见：Ue与T存在非线性关系，f31求得理论线性度为3．2％。分二段线性化：=O~C~600。(式(2)、(3)中：为传感器未经过线性化处理输出量(每个为第一段；=600。c～1200。C为第二段。值对应一个被测物理量)；Y1、Y2是经过线性化处理传第一段拟合二次线性化方程为：感器特性，即Y1、Y2与具有线性(比例)关系。yl=-0．77

5、633+24．995196-0．0347332己(7)式(2)、(3)N取值是根据检测系统对线性度和精度要求第二段拟合方程：而定，Ⅳ取值越大越好，但实现电路就会复杂。一般N=2，y2=74．59714+19．119498+0．0802607(8)就足以满足系统的要求。当N=2时，分段线性化电路实现原理如图2所示。表1K型热电偶与温度关系己(4)式中，一补偿电路和放大器总的增益；0065026．750【，基准电压，为实现a0、bo系数而设置。乘法器为实现项而设置。1004．09575031．703图2中Y。、Y2关系式分别讨论如下：1=口R+口i【，口+口20

6、08．13785035．021把式(4)代入上式得：Yl=ao／UR+口Ve+口2／^--2u=,2(5)．P式(5)与式(1)对应项系数比较得：30012．20795039．104a0=Un：al=口；a2=口2／A2H同理有：40016．395105043．027y2=b／OUR+6f+6{(6)式中：bo=b~UR；6I=6；62=62／A250020．640l15O47．1O2图2电路结构对任何电量输出传感器线性化处理具有通用性。但由于af、bf(i=O，1，2)有止有负，具体实现电路60024．902要注意符号处理问题。式(7)、(8)电压与温度转

7、换率为1mV／。C，转换率太佃(1mV表示为1。C)，测量读数不精确，若扩大转换率(侈三、电路实现如10mV表示为1。C)，就会减少测量误差。因此，式(7)、以K型热电偶为例，进行电路实现研究。(8)各系数可扩大A倍，则电压与温度转换率为A*mV／。C，冷端温度为．20。C时，测得K型热电偶热电压与温一般A取十倍程。式(7)、(8)实现的二次分段线性化电路期图3所示。广——]I!!AD538是一个多功能乘法器，按图．广]+yl一接法，可实现平方运算(由8脚输出)；I兰!B2≤≤BAD538的4(15)脚提供IOV基准电压，酬被传补偿电乘Ue=10V。R，C组

8、成低通滤波，滤去各种唠X．卜_测感路与放法lL———