自校零和自校准技术要点

新型传感器论文题目：自校零和自校准技术
摘要
本文从原理上分析论证了自校准与自校零技术；重点论述了实时在线校准技术的实现方法，从校准的定义出发，引申出了仪器仪表自校准的概念，并对自校准实现的基本原理和过程进行了分析，提出了自校准设计过程中几个关键点，以及这些关键点对自校准的影响。

关键词：传感器；电信号；自校零技术；自校准技术
第一章引言
在传感器的测量过程中，由于仪器内部器件的零点偏移及其温漂，即使零输入时也有输出读数，产生测量误差。

进行自校准的目的，其一，不必将测试仪器仪表脱离原有的环境专门送至校准机构进行校准，在误差精度满足的前提下，提高便利性，同时保证环境的一致性；其二，某些电测仪器设备集成在大型设备中，不容易拆卸，若能够自校准，将更加方便；其三，单片机等控制器及校准电路为自校准的实现成为了可能，可实现自动化，不用进行人工校准。

本文主要针对传感器的自校零技术和自校准技术进行论述。

通过对这方面的了解与学习，希望可以在现有的技术水平上进行改进，使其有更好的性能，能更准确地工作，更好地为我们所用。

第二章自校零技术
在传感器的测量过程中，由于仪器内部器件的零点偏移及其温漂，即使零输入时也有输出读数，产生测量误差。

2.1自校零的原因
因为仪器存在误差且误差很可能随环境而变化，所以就需要设计一种自校正装置，使得传感器的参数发生漂移时能够实现自我的补偿与校准，从而使得测量结果更加精确。

以线性系统为例，假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出(y)—输入(x)特性如下： y=a 0+a 1x
式中：a 0——零位值，即当输入x=0 时之输出值；
a 1——灵敏度，又称传感器系统的转换增益。

对于一个理想的传感器系统，a 0与a 1应为保持恒定不变的常量。

但是实际上，由于各种内在和外来因素的影响，a 0 , a 1都不可能保持恒定不变。

譬如，决定放大器增益的外接电阻的阻值就会因温度变化而变化，因此就会引起放大器增益改变，从而使得传感器系统总增益改变，也就是系统总的灵敏度发生变化。

设a 1=S+Δa 1, 其中S 为增益的恒定部分，Δa 1为变化量；又设a 0=P+Δa 0，P 为零位值的恒定部分，Δa 0为变化量，则
x a S a P y )()(10∆++∆+=
式中：Δa 0——零位漂移；
Δa 1——灵敏度漂移。

2.2传感器的实时在线自校准
2.2.1实时测量零点
实时测量零点有两种方法，方法一：不含传感器自校，如图2.1所示；方法二：含传感器自校，如图2.2所示。

2.1方法一(不含传感器自校)
2.2 方法二（含传感器自校）
从上面两幅图中可以看到传感器每次工作的时候都会测零，这种方法称为实时实时测量零点。

2.2.2线性系统
图(2.2)所示的自校准功能实现的原理框图，能够实时自校包含传感器在内的整个传感器系统。

标准发生器产生的标准值x R 、零点标准值x 0与传感器输入的被测目标参数x 的属性相同。

如，输入压力传感器的被测目标参量是压力P=x ，则由标准压力发生器产生的标准压力P R = x R ，若传感器测量的是相对大气压P B 的压差(又称表压)，那么零点标准值就是通大气x 0=P B ，多路转换器则是非电型的可传输流体介质的气动多路开关——扫描阈。

同样，微处理器在每一特定的周期内发出指令，控制多路转换器执行校零、标定、测量三步测量法，可得全传感器系统的增益/灵敏度1a 为：
R
R x y y a S a 01-=∆+=
R y ——标准值x R 为输入量时的输出值；
0y ——零点标准值x 0为输入量时的输出值。

整个传感器系统的精度由标准发生器产生的标准值的精度来决定。

只要求被校系统的各环节，如传感器、放大器、A/D 转换器等，在三步测量所需时间内保持短暂稳定。

在三步测量所需时间间隔之前和之后产生的零点、灵敏度时间漂移、温度漂移……都不会引入测量误差。

这种实时在线自校准功能，可以采用低精度的传感器、放大器、A/D 转换器等环节，达到高精度测量结果的目的。

因此具有自校准功能的智能传感器系统实现了高精度。

2.2.3非线性系统
对于输入—输出特性呈非线性的系统，只采用两个标准值的三步测量法来进行自校准则是不够完善的。

实时在线自校准功能的实施过程是：
（1）对传感器系统进行现场、在线、测量前的实时三点标定，即依次输入三个标准值：1x R ，2x R ，3x R ，测得相应输出值：1y R ，2y R ，3y R 。

（2）列出反非线性特性拟合方程式x(y)= 0C +1C y+2C 2y
（3）由标定值求反非线性特性曲线拟合方程的系数0C ，1C ，2C 。

按照最小二乘法原则，即方差最小，即
最小
==-++∑=3121022210),,(])[(i Ri Ri Ri C C C F x y C y C C
已知0C ，1C ，2C 数值后，反非线性特性拟合方程式即被确定，这时智能传感器系统可由转换开关转向测量状态。

因此，只要传感器系统在实时标定与测量期间保持输出—输入特性不变，传感器系统的测量精度就决定于实时标定的精度，其它任何时间特性的漂移带来的不稳定性都不会引入误差。

2.2.4自动校零的双积分式模擞转换及其逻辑设计
提高基本型双积分模/数转换精度的主要矛盾在于解决高增益直流运算放大器的零漂上,所以目前生产的双积分式数字电压表仍采用比较复杂的直流运算放大器。

在一些四位板式数字电压表中,对所用的单片集成运算放大器也往往提出较高的筛选要求。

自动校零的双积分式模/数转换方案是针对解决直流运算放大器零漂影响这一点提出来的。

图2.3 自动校零的双积分式模/数转换方案
它的逻辑特点是,在基本型双积分模/数转换系统进入采样阶段之前,先安排一自校零阶段,使系统转入闭环记忆零漂电压的状态,为补偿后续的采样与回积阶段的零漂影响作好准备。

在自动校零阶段中,由逻辑控制系统保证,K2、k3和K0导通,K1、.K4和K5断开，k0导通后所形成的闭环是一负反馈系统,由于K1断开,k2通地,使系统处于零输入校零状态.在这个负反馈系统中,不仅使A1、A2和A3。

各放大器的零漂影响显著地减小,而且把补偿零漂的校零电压被记忆电容C2和积分电容C1贮存起来。

此系统的采样、回积和休止准备三个阶段的动作与基本型的双积分模/数转换系统完全相似。

在自校零阶段中补偿漂移影响的方法:
假设积分器的各零漂因素归结为一个等效的输入漂移电压ε,缓冲放大器和零放大器的零漂暂不考虑,其等效电路可简化成图2.4所示。

图2.4 积分器等效电路
显然,因为ε的存在,将会导致,v
1’和v
2
’。

由于是深度的负反馈,在完成很
短的过渡过程之后,记忆电容C
2
所贮存的电压必将起到抵消ε的作用。

如果认为
A 1和A
2
足够的大，则
从而使积分器的输出端漂移电压减小到接近于无穷小的程度,十分有效地克
服了积分漂移误差。

另外,从负反馈回路的定量关系上推导,也可得出相似结论。

可见,记忆电容C
2
两端的电压跟踪了ε的大小,相当于在积分器的同相输入端引入了一个自动抵消零漂的校零电压。

2.2.5动态自校零在数字仪表中应用
“动态自校”原理,是提高数字仪表稳定性和精度的一种新方法,自前国内外都正在大力探讨并逐渐广泛采用。

“动态自校,分“动态自校零,,和“动态自校准”两种。

其中“动态自校零”又可用“模拟自校零,,和“数字自校零”来实现。

数字自校零方法对零点漂移(简称零漂)的补偿效果更为理想,但线路复杂,所用元件多,而模拟自校零方法电路简单,用的元件少,对于普遍大量使用的四位数字电压表来说,完全可以收到预期的零漂补偿效果,因而具有经济的实用价值。

用采样—保持技术消除零漂方案,属于三次采样技术之一。

它是在双斜技术的基础上,在每个测量周期中又引入一个第三状态—“零采样”阶段,用以消除零漂,从而提高仪表的稳定性和测量精度。

采样—保持技术过程：1）零采样阶段。

首先通过电容对所有非零信号成份一零点漂移量进行采样，作为测量阶段和标准采样阶段时间内的“自我补偿”用；2）测量阶段。

此期间通过积分器对被测量作定时积分，检零器动作；3）标准采样阶段。

对信号进行定值积分；4）检零器状态维持阶段。

积分器回积置零，检
零器动作,给出寄存信号,显示器显示测量值。

意义：在双积分式数字电压表基础上引入采样一保持技术,可以补偿双积分式数字仪表中的三个重要漂移源(输入放大器、积分器、检零器)所引起的误差。

1）积分放大器漂移的影响。

由于漂移是个缓慢变化量,所以在几百ms这么短的一个测量周期内可视为不变,故可以认为可以完全自我抵消，即用此法可消除缓慢变化的零漂；2）检零放大器漂移和输入放大器漂移的影响减小。

也可以这样说,降低了对模拟部份中三个单元漂移的要求。

实质：由上可见,模拟自校零方案的实质是,用闭环使在记忆电容Cg上记存零漂电压,并把它作为一个共模电压加到一个具有高抗共模干扰能力的差动放大器上,由于该差动放大器仅放大差模信一号,所以被放大的电压即是包含有漂移电压的被测电压与漂移电压之差。

优点：提高了数字电压表的稳定性和测量精度;降低了对输入放大器、积分放大器和检零放大器中所用元件指标要求,提高了元件的上机率,不但降低了成本,而且便于成批生产;调试简单、方便。

为使其体积小、成本低,本方案中用结型场效应管长尾差分对作输入级,在应用了动态自校原理后,简化了调节温度漂移的工作。

2.2.6 DBZ一3自校零数字式温度计中的自校零技术
在数字测量中,最难解决的,也是最迫切需要解决的是物理量一模拟量、模拟量一数字量的转换精度问题。

影响转换精度的因素很多,但最关健的是零.氛漂移问题。

在G92一3数温计中,采用斩波稳零和自动调零技术,较好地解决零点漂移问题。

实践证明,它是一种行之有效的办法,而且线路结构简单、成本低奔、技术指标先进,具有速度快、体积小、重量轻、功耗低、使用方便等优点。

因此,它适用于刚量室内、试验设备箱体内以及其它任一温场的被测环虎之中的多点或单点上的温度位。

D92一3型数温计由T一U转换、A/D转换、时钟预率发生器、译码/驱动显示电路和电源等主要部份构成,方框图示于图2.5。

图2.5 D92—3型数温计方框图
传感器RT置于被测环境中,RT衬各种不同温度呈现不同的电阻值。

这个不同的电阻位特性,反映吞T一U输出端,并把电胆随温度变化的非电量关系转换成电压随温度变化的变量关系.T-U转换器将该电压送至A/D图t整机方框图转换输入端,而A/D转换器把电压量转换成时间量,再通过译码/驱动显示电路显示读数。

T一U转换电路中的自校零：
该单元主要由温度传感器RT、T一U转换主线路由c1:和调零电路CIZ等构成。

D92一子型数温计选用BA:型铂电阻作传感器。

T一U转换电路的一个关键技术问题是漂移问题。

这里的漂移主要是指零漂,而零漂主要来自温漂和时漂扩这两种漂移会导致严重的刚量误差。

T一U转换是利用电子斩波稳零这一新技术来解决的。

其方框图示于图2.6。

图中有两个放大器,一个主放大器,一个调零放大器。

两个放大器都具有很宽的动态范国,且都具有三个输入端和一个输出端,其中一个输入端是调零输入端。

内调制补偿电路用于对输出电压作单位增益运算补偿,确保输出零点稳定。

电容器C1、C2提供所需的零电位储存,并由它给出调零回路的时间常数。

一为防止输出信号中的调制脉冲尖峰输出,以斩波调制须率注入输入端前馈补偿电容的电荷减到最小为宜。

此线路经反复实践应用,证明效果很好,完全达到自动调零的要求。

重复性和稳定性(连续工作8小时以上)都达到了预期的设计效果。

图2.6 T—U转换方框图
第三章自校准技术
进行自校准的目的，其一，不必将测试仪器仪表脱离原有的环境专门送至校准机构进行校准，在误差精度满足的前提下，提高便利性，同时保证环境的一致性；其二，某些电测仪器设备集成在大型设备中，不容易拆卸，若能够自校准，将更加方便；其三，单片机等控制器及校准电路为自校准的实现成为了可能，可实现自动化，不用进行人工校准。

3.1自校准定义
计量学对校准的定义是“在规定的条件下, 为确定测量仪器或测量系统所指示的量值, 或实物量具、标准物质所代表的量值, 与对应的由测量标准所复现的量值之间关系的一组操作。

”该定义也明确了仪器仪表校准的几个关键点：参考值，即测量标准；进行比对的操作；确定参考值和测量值之间的关系。

而上述几个关键点用单片机等嵌入式系统加以实现，就是仪器仪表的自校准。

3.2校准的含义及自校准的实现校准的含义
校准的含义：在规定的条件下，用一个可参考的标准，对包括参考物质在内的测量器具的特性赋值，并确定其示值误差。

自校准的实现校准的含义：将测量器具所指示或代表的量值，按照校准链将其溯源到标准所复现的量值。

校准的目的：（1）确定示值误差，并可确定是否在预期的允差范围之内；（2）得出标称值偏差的报告值，可调整测量器具或对示值加以修正；（3）给任何标尺标记赋值或确定其他特性值，给参考物质特性赋值；（4）确保测量器给出的量值准确，实现溯源性。

（5）校准是在规定条件下进行的一个确定的过程，用来确定已知输入值和输出值之间的关系的一个预定义过程的执行。

3.3自校准技术的原理
采用自校准的方式就是将上述“校准”的内容及目的用单片机控制系统进行自动实现，以满足一定的误差要求。

这要求在电测仪器中集成相应的校准参考值及校准控制电路，并将校准得到的修正系数用单片机及其他控制系统对实际测量值进行修正，以复现真实的测量结果[2-3]。

仪器仪表的自校准功能是现代智能数字仪表功能的一个体现，集成在智能仪表模块之中，其流程图如图3.1所示。

图3.1 自校准流程图
图3.1中，测量参考标准值为外部提供或者电测仪器内部集成的温漂等受外界干扰较小的标准电压、电流、电阻、电容等值（视电测仪器测试功能而定）。

若由外部提供，由于外部参考值都是经过专门机构准确检定、校准的，则使电测仪器的自校准精度较高，但便利性较差，此时的自校准在一定意义上已经成为了自动校准；若参考值由内部提供，则对内部参考值的生成提出了很高的要求，必须设计出能提供较好稳定性的内部参考电压、电流、电阻等的电路，以提供较好的标准参考值，这也是自校准电路的难度之一。

实际校准时，参考标准值能够阶梯性分段提供多个标准值，供电测仪器仪表进行校准，得到最佳校准系数。

量值转化是将除电压、电流以外的其他电学量，如电阻、电容、电磁场等，转化为可被A/D转化的电流、电压等模拟量，以及消除噪声干扰等相应的信号处理[4]。

在A/D采样并输入到单片机等嵌入式控制器后，与存储在单片机内的对应的当前标准参考值进行比较，计算得出补偿参数，反馈到A/D采样输出之后，对电测仪器采样值进行补偿，得到校准后的测量值[5-6]。

采用内部参考标准的方式，可以对电测仪器仪表进行极为便捷的校准，虽然校准精度没有采用外部校准源来得高，但在精度满足要求的前提下，大大提高校准的效率，甚至不用移动仪器。

3.4自校准技术的应用
自校准技术在现代仪器的设计制造中有着很重要的应用，应用该技术可提高产品或系统的性能，简化校准过程，并大大改善产品或系统的可维护性，是现代测试仪器常采用的技术。

自校准技术在多通道测试设备中的应用，着眼于解决多通道设备的校准问题。

多通道设备的校准通过在设备设计之初内装自校准模块来实现，并使用外接设备来校准自校准模块中的基准源。

输出参量采用内部自校准模块自动校准，可以大大减少设备的校准工作量。

3.4.1 自校准技术在 VXI总线D/A模块中的应用
VXI总线是新一代的测量总线，该总线专门为测量应用而设计，并结合了当今微型计算机总线技术，从而使其拥有很多优点，如组建灵活、简单，性价比高，体积小等。

作为该总线的基本功能模块D/A模块应该采用先进的设计思想和技术，因而我们采用自校准技术。

采用这种技术，可使该仪器产品的准确度得到保证，并更适合自动化生产。

3.4.2 在航天航空领域的应用
空间目标轨迹的精确确定在许多重要领域都是人们非常关注的问题,由于其地面测量系统的观测数据含有较大系统误差,严重影响了定轨精度的进一步提高。

“EMBET”自校准技术可以较好的解决这个问题,在此基础上发展的轨迹样条约束的“EMBET”技术已经在一些领域得到应用,并取得了很好效果。

3.4.3 传感器实时自校准
一般来说,传感器在使用过程中都有温漂、时漂或某些参数发生变化的现象。

对温漂可进行温度补偿来消除由温度影响给测量带来的误差。

但传感器工作一段时间之后,产生的时漂或某些参数发生变化,又该如何减小由此给测量带来的误差呢?现在能不能找到一种方法,在不用标准激励或校准传感器的情况下,可以对传感器进行实时校准,同时能减小传感器参数发生变化和时漂给测量带来的影响。

我们利用软件编程将实时自校准和自补偿法相结合,对传感器的输出数据进行综合修正,减小温漂、时漂及传感器参数发生变化给测量带来的误差,确保测量数据的准确、可靠。

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