传感器线性误差自校准方法研究(附件)
当今世界已经进入信息时代，信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。在现代仪器仪表中，大多都会用到传感器，它是一种能感受规定的被测量信号并按照一定规律转换成可用信号的器件。传感器作为各种信息(各种物理量、化学量、生物量等)感知、采集的功能器件，已经越来越广泛地应用到国民经济的各个领域，特别是在自动检测和自动控制领域，传感器更是必不可少的重要工具。
本文介绍了传感器线性误差产生的原因和特征，并对误差校正的方法进行了研究。将传感器线性误差校准分为纯硬件、纯软件和软硬件结合三种实现手段。其中纯硬件实现过程简单经济，但仍然需要人工手动完成传感器的标定，并无法实时对增益进行调节。纯软件手段是在原有传感器信号处理平台上不额外增加任何硬件来实现误差校准功能的手段，虽然能够完成自学习和自调节的功能，但是软件的运行过程可靠性较差，且软件越复杂所耗执行时间越长，难以添加过多功能。软硬件结合方式下，依靠单片机结合外围电路的方法，结合两者优点，保留了纯硬件的可靠性同时也保留了纯软件的功能完整性，可以实现真正意义上的误差自校准。本文所设计的三种传感器线性误差自校准方法为简化传感器标定过程，缩短实验处理时间提供了良好有效的方法和途径。
关键词：传感器；线性误差；自校准；单片机
目 录
1 引言1
1.1 研究目的和意义1
1.2 国内外研究现状1
1.3 本文研究内容2
2 传感器的线性误差2
2.1 线性误差产生原因3
2.2 线性误差的消除方法4
3 传感器线性误差自校准方法研究5
3.1 纯硬件方式5
3.2 纯软件方式6
3.3 软硬件结合方式8
4 系统的制作与 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
调试 17
4.1 系统的制作17
4.2 系统性能验证 17
结论19
致谢20
参考文献21
附录 A 原理图及PCB图23
附录 B 元件清单24
附录 C 系统源程序25
1 引言
1．1 研究目的和意义
工业技术的快速发展和生产规模的不断扩大，使得测试技术越来越多的参与到工业活动中来。而测试技术的水平与其配套的装置也必须达一定的标准才能够被广泛的应用。测试的方法可以分为机械测试、光学测试、气液测试和电测式若干种方法，但经过工业实践发现，电测试法应用的范围较广，精度高，惯性小，便于遥控和参与自动化生产。所以当前在实际工业生产中，电测试法占据了较高的比例。作为电测试法关键的转换环节和装置，传感器的发展也逐渐成为了测控领域的一个研究热点。传感器在使用过程中都存在一定的误差，不可能达到100%的准确测量，而严重的测量误差将会导致所采集到的数据毫无意义甚至起到相反的误导作用。传感器误差大致可以分为线性误差和非线性误差两种。非线性误差产生的原因和偶然误差的产生原因几乎一致，很难用数学的方法去进行描述，且非线性误差大多是由于传感器本身制作工艺和测量原理引起的，几乎无法使用增加硬件环节和软件修正的方法去抵消，只能通过改善制作工艺和技术去进行缩小。随着嵌入式技术的发展和软件算法的不断更新和完善，将软硬件进行结合或单独处理作为手段，把传感器的线性误差控制在一定范围内，提高测量效果，已经是势在必行的事情了。
1．2 国内外研究现状
由于传感器在测量技术中扮演的重要角色，国内外在传感技术上的投入都比较大。国外由于工业发展阶段高，且材料、制造工艺等较为先进，故传感器技术也较为发达。国外知名公司如西门子、博世、宝德等制作的传感器精度高，分辨率好，测量范围广等优点而使用广泛。但这些公司成熟的市场化产品进口入中国则价格高昂，以宝德公司制作的水分传感器为例，其单价达到了5万元每台。为了掌握核心技术，打破国外的封锁，国内传感器厂家和科研单位也大量投入研究传感器的设计和制作工艺中，但取得的效果并不显著，部分国产传感器寿命短，分辨率差，误差较大等缺点暴露出来，无法和国外制造相提并论。在误差处理中，国外工业发达，使用较好的材料和制造工艺已经基本克服了非线性误差。线性误差的处理中，国内外的学者和专家也
进行了大量的研究和探讨。由于涉及商业机密，且普通传感器的误差校准已经非常成熟，所以难以见到外文文献发表该领域文章。在国内，孙慧卿等利用多项式曲线拟合原理借助计算机分析控制，建立了传感器的磁场、温度的线性输出拟合函数，有效的对线性误差进行了补偿。赵敏等通过从原理上的分析结论，提出了使用单片机等嵌入式核心对传感器进行自校准和自补偿的基本方案，并提供数据证实了其可行性。周鸣争等利用支持向量机技术对传感器逆模型特征进行辨识和拟合函数，并将误差校正问题转换为了一个二次优化问题，通过实验可见该算法效果较好。从以上文献记载可见，目前国内在传感器误差校正方面大多还停留在仿真和实验阶段，难以成型并投入实际应用。
1．3 本文研究内容
随着模拟电子器件和嵌入式技术的发展，越来越多的自校准和自补偿装置开始使用模拟器件进行调控。软件算法的完善使得全部使用软件进行传感器校正也存在可能性。所以本文在充分分析和研究传感器线性误差特点和产生机理的基础上，确立了三个研究内容。
(1)、使用纯硬件的方法对传感器进行自校准解决线性误差问题；
(2)、使用纯软件进行自校准研究解决线性误差问题；
(3)、进行软硬件结合来解决线性误差问题。
通过以上内容的研究和设计，对传感器误差校正问题进行深入研究和发掘，取得一定的研究基础和成果。
2 传感器的线性误差
人类已经进入信息社会，信息的获取、传输和处理已经成为了促进社会发展的一个重要环节，也在检测和控制系统中占据了重要地位。传感器作为一个窗口用来感知、获取与检测信息。通过传感器，所有科学研究与自动化生产过程要获取的信息将转换为电信号来进行处理与传输。但是，传感器本身由于自身制作工艺以及工作环境复杂等众多影响，存在一定的测试误差，这使得信息的获取不够准确，有可能进一步影响到检测和控制的结果。所以如何处理和补偿传感器误差成为了测控领域一个重要的研究内容。
线性误差产生原因
线性度这个概念相信大家并不陌生，它是传感器静态特性的一项特别重要的指标。其中与传感器输入—输出理想特性直线斜率不一致的称为非线性误差，非线性误差主要由传感器自身结构或制作工艺本身缺陷造成的。随着科技的不断进步和发展，传感器的非线性误差已经得到很好的解决。但是在传感器的测量范围内仍然可能出现和输入—输出理想特性直线斜率相近的误差，称之为线性误差。这些线性误差产生的主要原因大致可以分为如下几类：
(1)工作环境。比如一些特种传感器需要使用在高温、高湿或承压很大的环境中，这些环境的极端性很可能造成传感器测量原点的漂移，一但原点漂移不准，那么后续测量将在这个不准的基础上进行，产生线性误差；
(2)疲劳程度。在传感器使用过程中，由于反复使用会造成物理磨损，出现所谓的传感器疲劳。但是这些疲劳程度是统一的，叠加在整个传感器量程内，所以造成的是线性误差；
(3)操作规范。比如在传感器使用前进行标定已经是一个常规的环节，但标定的过程带有一定的人为因素，可能由于不同人员的操作习惯而引起人为的误差，如果标定的过程里含有这个人为误差，那么在后续传感器使用中会持续而恒定的出现这个误差带来的影响，产生的也是线性误差。
以上例举了三类主要的引起传感器线性误差的因素，除此之外，还有一些其他的因素可能会导致线性误差，比如传感器制作结构和自身信号处理算法等原因，这些情况比较特殊，不再一一赘述。
以CO气体传感器为例
3.3.1 设计原理
2、单片机最小系统
如图3-7所示即为单片机最小系统。
3.3.7 软硬件结合方式下的软件设计
通过纯软件方法的编程总结，可知传感器误差校正自学习步骤主要有：零位校正和校准点校正两步。为了保证通用性和统一性，软件设计仍然以压力传感器来描述其流程。主流程如图3-14所示。
1 引言1
1.1 研究目的和意义1
1.2 国内外研究现状1
1.3 本文研究内容2
2 传感器的线性误差2
2.1 线性误差产生原因3
2.2 线性误差的消除方法4
3 传感器线性误差自校准方法研究5
3.1 纯硬件方式5
3.2 纯软件方式6
3.3 软硬件结合方式8
4 系统的制作与 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
调试 17
4.1 系统的制作17
4.2 系统性能验证 17
结论19
致谢20
参考文献21
附录 A 原理图及PCB图23
附录 B 元件清单24
附录 C 系统源程序25
1 引言
1．1 研究目的和意义
工业技术的快速发展和生产规模的不断扩大，使得测试技术越来越多的参与到工业活动中来。而测试技术的水平与其配套的装置也必须达一定的标准才能够被广泛的应用。测试的方法可以分为机械测试、光学测试、气液测试和电测式若干种方法，但经过工业实践发现，电测试法应用的范围较广，精度高，惯性小，便于遥控和参与自动化生产。所以当前在实际工业生产中，电测试法占据了较高的比例。作为电测试法关键的转换环节和装置，传感器的发展也逐渐成为了测控领域的一个研究热点。传感器在使用过程中都存在一定的误差，不可能达到100%的准确测量，而严重的测量误差将会导致所采集到的数据毫无意义甚至起到相反的误导作用。传感器误差大致可以分为线性误差和非线性误差两种。非线性误差产生的原因和偶然误差的产生原因几乎一致，很难用数学的方法去进行描述，且非线性误差大多是由于传感器本身制作工艺和测量原理引起的，几乎无法使用增加硬件环节和软件修正的方法去抵消，只能通过改善制作工艺和技术去进行缩小。随着嵌入式技术的发展和软件算法的不断更新和完善，将软硬件进行结合或单独处理作为手段，把传感器的线性误差控制在一定范围内，提高测量效果，已经是势在必行的事情了。
1．2 国内外研究现状
由于传感器在测量技术中扮演的重要角色，国内外在传感技术上的投入都比较大。国外由于工业发展阶段高，且材料、制造工艺等较为先进，故传感器技术也较为发达。国外知名公司如西门子、博世、宝德等制作的传感器精度高，分辨率好，测量范围广等优点而使用广泛。但这些公司成熟的市场化产品进口入中国则价格高昂，以宝德公司制作的水分传感器为例，其单价达到了5万元每台。为了掌握核心技术，打破国外的封锁，国内传感器厂家和科研单位也大量投入研究传感器的设计和制作工艺中，但取得的效果并不显著，部分国产传感器寿命短，分辨率差，误差较大等缺点暴露出来，无法和国外制造相提并论。在误差处理中，国外工业发达，使用较好的材料和制造工艺已经基本克服了非线性误差。线性误差的处理中，国内外的学者和专家也
进行了大量的研究和探讨。由于涉及商业机密，且普通传感器的误差校准已经非常成熟，所以难以见到外文文献发表该领域文章。在国内，孙慧卿等利用多项式曲线拟合原理借助计算机分析控制，建立了传感器的磁场、温度的线性输出拟合函数，有效的对线性误差进行了补偿。赵敏等通过从原理上的分析结论，提出了使用单片机等嵌入式核心对传感器进行自校准和自补偿的基本方案，并提供数据证实了其可行性。周鸣争等利用支持向量机技术对传感器逆模型特征进行辨识和拟合函数，并将误差校正问题转换为了一个二次优化问题，通过实验可见该算法效果较好。从以上文献记载可见，目前国内在传感器误差校正方面大多还停留在仿真和实验阶段，难以成型并投入实际应用。
1．3 本文研究内容
随着模拟电子器件和嵌入式技术的发展，越来越多的自校准和自补偿装置开始使用模拟器件进行调控。软件算法的完善使得全部使用软件进行传感器校正也存在可能性。所以本文在充分分析和研究传感器线性误差特点和产生机理的基础上，确立了三个研究内容。
(1)、使用纯硬件的方法对传感器进行自校准解决线性误差问题；
(2)、使用纯软件进行自校准研究解决线性误差问题；
(3)、进行软硬件结合来解决线性误差问题。
通过以上内容的研究和设计，对传感器误差校正问题进行深入研究和发掘，取得一定的研究基础和成果。
2 传感器的线性误差
人类已经进入信息社会，信息的获取、传输和处理已经成为了促进社会发展的一个重要环节，也在检测和控制系统中占据了重要地位。传感器作为一个窗口用来感知、获取与检测信息。通过传感器，所有科学研究与自动化生产过程要获取的信息将转换为电信号来进行处理与传输。但是，传感器本身由于自身制作工艺以及工作环境复杂等众多影响，存在一定的测试误差，这使得信息的获取不够准确，有可能进一步影响到检测和控制的结果。所以如何处理和补偿传感器误差成为了测控领域一个重要的研究内容。
线性误差产生原因
线性度这个概念相信大家并不陌生，它是传感器静态特性的一项特别重要的指标。其中与传感器输入—输出理想特性直线斜率不一致的称为非线性误差，非线性误差主要由传感器自身结构或制作工艺本身缺陷造成的。随着科技的不断进步和发展，传感器的非线性误差已经得到很好的解决。但是在传感器的测量范围内仍然可能出现和输入—输出理想特性直线斜率相近的误差，称之为线性误差。这些线性误差产生的主要原因大致可以分为如下几类：
(1)工作环境。比如一些特种传感器需要使用在高温、高湿或承压很大的环境中，这些环境的极端性很可能造成传感器测量原点的漂移，一但原点漂移不准，那么后续测量将在这个不准的基础上进行，产生线性误差；
(2)疲劳程度。在传感器使用过程中，由于反复使用会造成物理磨损，出现所谓的传感器疲劳。但是这些疲劳程度是统一的，叠加在整个传感器量程内，所以造成的是线性误差；
(3)操作规范。比如在传感器使用前进行标定已经是一个常规的环节，但标定的过程带有一定的人为因素，可能由于不同人员的操作习惯而引起人为的误差，如果标定的过程里含有这个人为误差，那么在后续传感器使用中会持续而恒定的出现这个误差带来的影响，产生的也是线性误差。
以上例举了三类主要的引起传感器线性误差的因素，除此之外，还有一些其他的因素可能会导致线性误差，比如传感器制作结构和自身信号处理算法等原因，这些情况比较特殊，不再一一赘述。
以CO气体传感器为例
3.3.1 设计原理
2、单片机最小系统
如图3-7所示即为单片机最小系统。
3.3.7 软硬件结合方式下的软件设计
通过纯软件方法的编程总结，可知传感器误差校正自学习步骤主要有：零位校正和校准点校正两步。为了保证通用性和统一性，软件设计仍然以压力传感器来描述其流程。主流程如图3-14所示。
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