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非线性传感器

发布时间:2011/10/5 9:39:08 访问次数:2105

    在电子系统设计实践中,一般希望系统的输入和输出呈现出线性关系,这样就可准确地得出被测量。然而现实世界中大量存在的是非线性关系,测量系统往往存在非线性环节,特别是传感器的输出信号与被测物理量之间一般呈非线性关系。造成非线性的原因主要有两个方面:一是由于许多传感器的变换原理并非线性;二是由于所采用的测量电路的非线性。为了扩大传感器的动态范围,提高测量精度,通常需要增加非线性环节,用一个非线性特性来校正传感器的非线性特性,对测量结果进行补偿,称为线性化处理。常用的线性化处理方法有:C5610    
    ①采用模拟电路,如采用对数、指数、三角函数运算放大器等,实现高精度的校准难
度较大。
    ②采用数字电路,如数字控制分段校正,能获得较高的精度。

    ③利用微处理器的处理功能,采用软件方法对非线性信号进行处理,方便灵活,可根据需要使其达到理想的精度要求。

    在电子系统设计中,软件线性化处理方法的结构和原理框图如图2.1所示。 C585-NAD

        x        y1=(x)     y2=kf(x)                  x=f1(y2)
     _______传感器____放大器____A/D转换器_____软件性化器_____显示
   ( 被测量)

              图2.1  软件线性化处理方法的结构和原理框图

    图2.1中,被测量x经传感器变换成电量1,其非绒性关系大部分情况下不能用函数关系明确表示,Yl与x的非线性关系经常是用图表表示的,Y1经线性放大器放大得到Y2,与x仍为非线性关系。若在放大器后引入线性化处理单元,则利用线性化单元本身的非线性特性来对传感器的非线性特性进行补偿,使得整个系统的输出量y与输入量x之间具有线性关系。

    2.1.1  非线性函数补偿法

    被测量x经传感器变换成电量少,的非线性函数关系为已知时,可以用软件法容易地实现被测量的线性化。例如,热敏电阻温度传感器的线性化单元为对数运算。在图2.2所示温度测量装置方框图中,已知热敏电阻在绝对温度丁时的阻值RT为

    RT=RoeB  (T_1/TO)                                                 (2.1)

式中,R。为热敏电阻在某一绝对温度To时的阻值;B代表热敏电阻材料常数。

   线性化单元输入与输出之间的关系为电子系统设计中常用的数值处理方法静静酶
                      1  1  RT                                            (2.2)
                   T=__+__1n__
                      TO B   RO
孽警性化单元的运算为自然对数,用模拟器件实现对数运算要增加硬件成本,还可能带
来非线性误差。采用软件程序处理,能有效发挥cPu的优越性。
                        T          RT=ReoB(T-1/TO)    T
               环境温度___ 热敏电阻___ 线性化处理单元___显示

                图2.2温度测量装置方框图


 

    在电子系统设计实践中,一般希望系统的输入和输出呈现出线性关系,这样就可准确地得出被测量。然而现实世界中大量存在的是非线性关系,测量系统往往存在非线性环节,特别是传感器的输出信号与被测物理量之间一般呈非线性关系。造成非线性的原因主要有两个方面:一是由于许多传感器的变换原理并非线性;二是由于所采用的测量电路的非线性。为了扩大传感器的动态范围,提高测量精度,通常需要增加非线性环节,用一个非线性特性来校正传感器的非线性特性,对测量结果进行补偿,称为线性化处理。常用的线性化处理方法有:C5610    
    ①采用模拟电路,如采用对数、指数、三角函数运算放大器等,实现高精度的校准难
度较大。
    ②采用数字电路,如数字控制分段校正,能获得较高的精度。

    ③利用微处理器的处理功能,采用软件方法对非线性信号进行处理,方便灵活,可根据需要使其达到理想的精度要求。

    在电子系统设计中,软件线性化处理方法的结构和原理框图如图2.1所示。 C585-NAD

        x        y1=(x)     y2=kf(x)                  x=f1(y2)
     _______传感器____放大器____A/D转换器_____软件性化器_____显示
   ( 被测量)

              图2.1  软件线性化处理方法的结构和原理框图

    图2.1中,被测量x经传感器变换成电量1,其非绒性关系大部分情况下不能用函数关系明确表示,Yl与x的非线性关系经常是用图表表示的,Y1经线性放大器放大得到Y2,与x仍为非线性关系。若在放大器后引入线性化处理单元,则利用线性化单元本身的非线性特性来对传感器的非线性特性进行补偿,使得整个系统的输出量y与输入量x之间具有线性关系。

    2.1.1  非线性函数补偿法

    被测量x经传感器变换成电量少,的非线性函数关系为已知时,可以用软件法容易地实现被测量的线性化。例如,热敏电阻温度传感器的线性化单元为对数运算。在图2.2所示温度测量装置方框图中,已知热敏电阻在绝对温度丁时的阻值RT为

    RT=RoeB  (T_1/TO)                                                 (2.1)

式中,R。为热敏电阻在某一绝对温度To时的阻值;B代表热敏电阻材料常数。

   线性化单元输入与输出之间的关系为电子系统设计中常用的数值处理方法静静酶
                      1  1  RT                                            (2.2)
                   T=__+__1n__
                      TO B   RO
孽警性化单元的运算为自然对数,用模拟器件实现对数运算要增加硬件成本,还可能带
来非线性误差。采用软件程序处理,能有效发挥cPu的优越性。
                        T          RT=ReoB(T-1/TO)    T
               环境温度___ 热敏电阻___ 线性化处理单元___显示

                图2.2温度测量装置方框图


 

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