淺議檢測系統(tǒng)線性化處理

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1、淺議檢測系統(tǒng)線性化處理摘要：檢測系統(tǒng)的組建要考慮的一個(gè)問題就是線性化及處理?；诖?，淺析檢測系統(tǒng)非線性產(chǎn)生的原因，介紹對檢測系統(tǒng)和裝置輸出和輸入量之間非線性關(guān)系進(jìn)行處理的幾種方法，以期在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化檢測系統(tǒng)的性能、減小測量誤差。關(guān)鍵詞：檢測系統(tǒng)；非線性；傳感器中圖分類號(hào)：04-34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-8772(2012)19-0140-01在工程測試中，力求測試結(jié)果能定性定量地表示出被測量，為了方便地標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理，便于檢測系統(tǒng)的制造、調(diào)校和使用，通常希望檢測系統(tǒng)有線性輸出。但是實(shí)際的檢測系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系往往呈

2、現(xiàn)出非線性特性，為了提高測量精度，增大測量范圍，減小讀數(shù)誤差，則有必要對檢測系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理。1傳感器的非線性誤差及其處理傳感器是檢測系統(tǒng)的最前沿裝置，它的特性往往影響整個(gè)檢測系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，理想的傳感器輸入輸出關(guān)系是呈線性關(guān)系，但絕大部分傳感器的輸出量與被測量之間的關(guān)系是非線性的。造成非線性的原因主要有：(1)傳感器的轉(zhuǎn)換原理為非線性，例如：熱電偶測溫，其熱電勢與溫度之間的關(guān)系為非線性；熱電阻輸出的電阻變化量與溫度之間的關(guān)系為非線性；在流量檢測中，孔板輸出的差壓與流量之間也呈非線性。（2）傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素引起的非線性，

3、例如：應(yīng)變式傳感器測壓力時(shí)彈性元件的撓性模變引起的非線性；電感式傳感器，磁性材料的磁化曲線呈非線性等。（3）傳感器的間隙、松動(dòng)、摩擦、蠕變以及外界條件的影響造成非線性。為了得到較好的輸入一輸出線性關(guān)系，在傳感器的選用上應(yīng)盡可能選取適合的轉(zhuǎn)換原理呈線性關(guān)系的傳感器。適當(dāng)減小測量范圍以提高測量系統(tǒng)的線性度，很多傳感器在全量程的測量中，輸入輸出特性曲線呈非線性，特別是在量程的較小和較大區(qū)域，非線性特性明顯。在情況允許的條件下，可取非線性曲線上線性比較好的一段，這種選取與檢測系統(tǒng)測量精度的要求有關(guān)，當(dāng)精度要求不太高的情況下，可以在相當(dāng)

4、寬的范圍內(nèi)都可近似為線性關(guān)系，精度要求越高，線性范圍越窄。當(dāng)測量范圍與精度要求不可取舍的情況下，則可利用多傳感器進(jìn)行非線性補(bǔ)償，例如在進(jìn)行濕度測量時(shí)，為了擴(kuò)大濕度測量范圍，將多個(gè)LiCl含量不同的濕敏電阻組合使用，將測量范圍分別為（10%?20%）RH、（20%?40%）RH、（40%?70%）RH、（70%?90%）RH、（80%?99%）RH這五個(gè)器件配合使用，就可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成整個(gè)濕度范圍的濕度測量；如磁敏二極管，其輸入輸出特性曲線在磁場正向與反向時(shí)不對稱，正向靈敏度大，反向時(shí)小，若采用特性相近的兩只磁敏二極管按相反磁極性組

5、合，或釆用磁敏對管，則磁場正、反向時(shí)特性曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。目前，普遍利用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)來建立傳感器的數(shù)學(xué)模型，通常用實(shí)際測出的輸入一輸出校準(zhǔn)曲線與某一直線的擬合程度來給出線性度，即非線性誤差。所以，這條擬合直線的選取不同，得到的非線性誤差也不同，擬合直線包括理論直線、端點(diǎn)連線擬合、端點(diǎn)平移擬合、過零旋轉(zhuǎn)擬合、最小二乘法擬合和最佳直線擬合等。要得到較好的線性關(guān)系，減小測量誤差，在傳感器的靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，選用的擬合直線十分重要，一般，選用能得到最小線性度的擬合直線為最佳擬合直線。2檢測電路中的非線性及線性化處理在檢測系統(tǒng)中

6、，為了把傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成為有用的電信號(hào)，需要各種轉(zhuǎn)換電路，較常用的有電橋電路、放大電路、積分微分電路、濾波電路、u/I、i/U、U/F、F/U等轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出關(guān)系的非線性將給傳感器系統(tǒng)帶來額外的非線性誤差，例如在應(yīng)變式測力系統(tǒng)中，工程上為了使用方便，減小測量前的準(zhǔn)備調(diào)試工作，提高測量效率,仍采用單臂測量電橋；轉(zhuǎn)換電路中二極管伏安特性的非線性；調(diào)頻、調(diào)相式電路輸出的非線性等。一般在測量轉(zhuǎn)換電路的選取上，需要選用轉(zhuǎn)換特性呈線性、轉(zhuǎn)換靈敏度高的電路，采用半橋全橋測量電路來減小和消除非線性誤差；釆用運(yùn)算放大器式電路

7、來消除單個(gè)變極距式電容傳感器的非線性。在轉(zhuǎn)換關(guān)系為非線性的傳感器系統(tǒng)中，增加非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以改善檢測系統(tǒng)整體的非線性。線性化補(bǔ)償環(huán)節(jié)可用硬件實(shí)現(xiàn)也可用軟件實(shí)現(xiàn)，硬件補(bǔ)償目前常用的有二極管陣列開方器、各種對數(shù)、指數(shù)、三角函數(shù)運(yùn)算放大器、非線性A/D轉(zhuǎn)換等，傳感器的專用線性化集成電路以及通用的線性化處理電路，下圖即為一種二次分段線性化通用電路。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子技術(shù)的融合，軟件實(shí)現(xiàn)線性化處理常用的方法有線性查值法、差表法、二次曲線插值法等方法，由軟件實(shí)現(xiàn)非線性的補(bǔ)償不存在硬件補(bǔ)償環(huán)節(jié)的電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、精度低、通用性差的特點(diǎn)

8、，不需要再對改善每個(gè)環(huán)節(jié)的非線性特性而耗費(fèi)精力，不論測量系統(tǒng)中任一測量環(huán)節(jié)的非線性多嚴(yán)重，均能自動(dòng)地按對應(yīng)的反非線性特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)理想的輸入輸出理想的直線關(guān)系。（責(zé)任編輯：張娟）