传感器输出信号通用线性处理电路的研究

Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ＆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３　２％，　线性处理后，理论线性度为０　０１５％。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：　围平分二段：　≤Ｂ；Ｂ　岛，把　的范　，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：　第一段（　Ｂ）：　＝口０＋ａ１　＋ａ２　＋…＋ａｕＵｅＮ（２）　维普资讯 http://www.cqvip.com

■　与系统Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓ＆　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＝－０．７７６３３＋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１　Ｋ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；　０　０　６５０　２６．７５０　【，　基准电压，为实现ａ０、ｂｏ系数而设置。乘法器　为实现　项而设置。　１００　４．０９５　７５０　３１．７０３　图２中Ｙ。、Ｙ２关系式分别讨论如下：　１＝口　Ｒ＋口ｉ【，口＋口　２００　８．１３７　８５０　３５．０２１　把式（４）代入上式得：　Ｙｌ＝ａ／ｏＵＲ＋口　Ｖｅ＋口２／＾－－２＝ｕ，Ｐ２　（５）　式（５）与式（１）对应项系数比较得：　３００　１２．２０７　９５０　３９．１０４　ａ０＝　Ｕｎ：ａｌ＝口　；ａ２＝口２／Ａ２　Ｈ同理有：　４００　１６．３９５　１０５０　４３．０２７　ｙ２＝ｂＯ／ＵＲ＋６ｆ　＋６｛　（６）　式中：ｂｏ＝ｂ￣ＵＲ；６Ｉ＝６　；６２＝６２／Ａ　２　５００　２０．６４０　ｌ１５Ｏ　４７．１Ｏ２　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　６００　２４．９０２　要注意符号处理问题。　式（７）、（８）电压与温度转换率为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　广——］　图３所示。　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≤　≤Ｂ　ＡＤ５３８的４（１５）脚提供ＩＯＶ基准电压，酬　被　传　补偿电　乘　Ｕｅ＝１０Ｖ。Ｒ，Ｃ组成低通滤波，滤去各种唠　测　Ｘ　感　路与放　．　卜＿　法　ｌ　Ｌ———＿＿Ｊ　声。量　器　大器　，　ＡＤ５３８作平方运算，其精度可达至　器　Ｏ．５％【”。图３中：Ｒ们　１；Ｒ０２＝Ｙ２。　厂］　＋　电路参数与方程系数关系分析如下：　：！厂７　Ｂ≤　≤Ｂ２　一—　等　一　一＝暗，　Ｉ．．．．．．．．．．．．．．＿＿Ｊ　２一～ＫＥ　Ｒ　６　（９）　图２二次分段线性化电路实现原理图　■目一　麓　豳　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ　传感器检测精度受许多因素影响，其中非线　性是其中主要因素之一，本文线性化处理原理具　有通用性，设计的线性化电路具有良好的线性　度，测量精度也较理想，具有实际工程应用价值。　参考文献：　［１］张琳娜，刘武发，传感检测技术及应用［Ｍ］，　北京：中国计量出版社，１９９９，１２７－１３４．　［２］单成祥，传感器的理论与设计基础及其应用　［Ｍ】，北京：国防工业出版社，１９９９，１８５－１９６．　［３］刘君华，现代检测技术与测试系统设计［Ｍ］，　西安：西安交通大学出版社，１９９９，１０９．１１５．　６０＝百１０Ｒ１０，ｌｉｆ＝Ｋｕ　Ｒ　ｌ　￣，６２＝　：　Ｒｉｏ　（１。）　［４］徐科军，自动检测和仪表中的共性技术［Ｍ］，北京：清　华大学出版社，２０００．１２，６５．８４．　由式（９）、（１０）就可以确定式（７）、（８）各系数。若式（７）、　（８）各系数均乘以Ａ倍，则式（９）、（１Ｏ）各系数也乘以Ａ倍，　这样就可以确定电路各元件参数。　［５］黄贤武，传感器实际应用电路设计［Ｍ］，成都：电子科　技大学出版社，１９９７．６，１２６．１３３．　［６］黄贤武，传感器原理与应用［Ｍ］，成都：电子科技大学　出版社，２００１．１２，２４．３２．　四、电路实验　Ｋ型热电偶测量温度范围为０ｏｃ～１２００￣Ｃ［　。为选元件　方便，令　２＝Ｒ３＝　６＝Ｒ１０，容易得到下列关系线性化方程为　式（７）、（８），选Ａ＝１０，而电路输出电压与被测温度转换率　为１０ｍＶ／℃。４个运放型号选为ＡＤ６４８。选　Ｓｔｕｄｙｉｎｇ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　Ｆｏｒ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒａｎｇ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｑｕａｎｔｉｔｙ　ｏｕｔｐｕｔｅｄ　ｂｙ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｗｏ　ｐａｒｔｓ　ａｖｅｒａｇｅｌｙ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ　ａ　ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ．　Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｇｅｎｅｒａｌｌｙ．Ｋ　ｔｙｐｅ　ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｈｅ　ｔｔｈｅｏｒｒｔｉｃａｌ　ｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　３．２％ｂｅｆｏｒｅ　ｌｉｎｅａｒ　Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ６＝Ｒ１０＝１０ｋＱ：Ｋｕ＝２４９．９５２，其它参数计算结果如下：　Ｒｌ＝１０ｋ￣＝：　Ｒ４＝１７．９８７４ｋＱ：　Ｒｓ＝１２．８８１　ｌｋ－Ｑ：　Ｒ７　１３．０７３１５ｋＱ：ＲＲ＝７．７８４１３ＭＱ。　表２测量数据　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ａｎｄ　０．０１５％ａＲｅｒ　ｔｈａｔ．Ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｅｒｒｏｒ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｄａｔａ　ｉｓ　０．００１３８．Ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈＯＷＳ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｎｓｏｒｓ：ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ　ｅｑｕａｔｉｏｎ：ｌｉｎｅａｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　作者简介：　樊衡，湖南学院助理实验师。研究方向：检测技术，信号　注：　被测温度；０＂Ｃ￣６００￣Ｃ由Ｒ０１端测得，６００￣Ｃ～１２００￣Ｃ由Ｒ０２　为转换测得的温度。　处理。　端测得：　通信地址：湖南省衡阳市湖南工学院电气与信息工程系　邮政编码：４２１００８联系电话：０７３４．６６４８７９５　根据表２，算得校准偏差为Ｏ．００１３８：求得理论线性度　为０．０１５％。这个结果是比较理想的。　五、结束语　Ｅ－ＭＡＩＬ：ｆａｎｈｅｎｇ６６４８７９５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ　本文编辑：陈明读者服务卡编号００９口