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。