發布日期：2022-10-09 點擊率：30
眾所周知，傳感器獲取現場信號的準確與否，直接影響到整個工業自動化系統的測量與控制精度。為了獲取真實的現場信息，要對計算機系統接入模擬傳感器輸出的模擬量電信號進行不失真的變換。
文中提出了一種針對力和位移傳感器的輸入標定技術，并根據理想傳感器靈敏度計算了硬件增益和通道增益，同時以軟件方式進行了修正。通過工程實際驗證，這種方法標定結果準確，便于操作，具有工程推廣價值。
0 引言
在工業自動化生產、自動控制系統、非電量電測系統中，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。傳感器獲取現場物理信號的正確與否，直接關系到整個系統的測量精度。
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，并不涉及有關數字傳感器。通常，計算機系統一般對傳感器的接入如圖1所示。
圖1 傳感器輸入通道
這里以力傳感器(多為mV級信號)為例，首先，經多路采樣開關采樣，進入放大器進行直流放大，最后放大的信號被送入ADC(模擬/數字轉換器)，期間對快速瞬變的信號還須經采樣保持處理。ADC將放大后的模擬電壓信號轉換成數字信號，送入計算機系統的這些數字量信息，雖代表各種物理量參數值的大小，仍須經過標度變換(工程量變換)，將它轉換成原來參數的真實值，以便進行顯示、計算和處理。
要保證計算機系統能獲取到現場真實被檢測信息，保證系統的準確度，有必要采取不失真的變換方法來獲取現場真實信息，對傳感器輸入通道的各個環節進行統一的標定。
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，并使滿量程的最大最小值保持在±10V.
圖2 位移傳感器輸入標定模塊圖
圖3所示是力、位移傳感器輸入標定比較圖。
圖3 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[3].這個信號的強弱與激勵電壓有關，如激勵電壓采用10 V，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. 979 8 mV/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±10 V.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
每一級放大系數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2 mV/V.
任何超過2 mV/V的信號都將導致總放大后的信號超過10 V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500時最接近10 V，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。下面通過幾個方面來進行說明。
2.1 A/D轉換器
傳感器信號經過調理即放大后，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(Calibration Gain)和零偏(CalibrationOffset)來實現。
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出現在使用極限狀況下(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10 V，這表明沒有信號截斷。例如：
10×1.934 mV/V×500 = 9.670 V10×2.321 mV/V×250 = 5.800 V然而，±10 V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。(未完待續)
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