CN101706346B - 智能力传感器测量非线性温度漂移的温度补偿方法 - Google Patents

智能力传感器测量非线性温度漂移的温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可保证电阻应变式智能力传感器测量输出不受温度影响的温度补偿方法,其步骤是将被标定传感器的工作温度分为八个温区,利用复合加载标定装置调节被标定传感器的环境温度,使其分别达到八个温区中的一个温度点,在各温度点上采用5段6点标定法进行传感器载荷标定,再将获得八组标定数据和标定时的各温度内码值进行列表记录和数据表存储;在传感器实际测量中,首先将由CPU获得传感器当前的环境温度值与数据表中同温区数据组进行比较,选出标定数据组,再将当前温度点的载荷信号内码值与该标定数据组的标定载荷内码值进行比较,选出两个载荷内码值作为标定载荷数据组,按标准化计算式进行计算后,获得测量的载荷值并输出。

Description

智能力传感器测量非线性温度漂移的温度补偿方法
技术领域
本发明内容属于电子感测衡器输出变量误差补偿技术领域,涉及一种可保证电阻应变式智能力传感器测量输出不受温度影响的温度补偿方法。
背景技术
传感器技术迄今已广泛应用于各种工农业生产实践中,大量科学研究和生产过程获取的数据信息都通过其采集并转换为易传输与处理的电信号最终得到的。对高精度传感器如电阻应变式智能力传感器等而言,温度误差给实际测量带来的影响已成为提高其性能的严重障碍,特别是在环境温度变化较大的应用场合更是如此。由于智能力传感器的力—电学性能与弹性体的弹性模量具有紧密的相关性,而弹性体的弹性模量受温度的影响较大,因此力传感器的输出信号也随温度的变化而变化。但是,基于测量的需要,要求力传感器其输出信号只与加载到传感器上的力成正比,而不应受到温度变化的影响,因此就需要一种温度补偿方法,在传感器量程内,能将由于温度变化造成的测量信号的变化进行调整,使输出信号只与加载载荷相关,从而保证测量的真实性与准确性。
目前本领域公知的用于对智能力传感器进行温度补偿方法有模拟式和数字式两种途径。
常见的模拟式补偿方法有并联式温度补偿和零点温度补偿法两种。并联式温度补偿法从理论上可实现完全补偿,但实际上却只能是近似补偿,因为其特性曲线的温度补偿只能做到两点或三点是全补偿,而其它点不是“过补偿”就是“欠补偿”。零点温度补偿法虽然可实现传感器零点输出的高精度温度补偿,但对弹性体弹性模量的温度非线性却没有任何贡献,因此,力传感器受力时其输出仍将受温度变化的影响。
数字式温度补偿方法首先要测出传感点的温度,将该温度信号作为多路采样开关采集信号的一路送入单片机,测温元件通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方,用来测量传感点的环境温度,测温元件的输出经放大及A/D转换送到单片机,单片机通过串行接口接收温度数据,并暂存温度数据,等信号采样结束后,单片机运行温度误差补偿程序,从而补偿传感器信号的温度误差。对于多个传感器,可用多个测温元件,常用的测温元件有半导体热敏电阻、AD950测温管、PN结二极管等。已有的数字式补偿办法采用最小二乘法对温度、载荷、信号输出的三维曲线进行拟合,为了提高补偿精度,通常在运算中需要进行高次运算,而相对于嵌入式单片机而言,进行高次运算需要靠牺牲时间来换取,同时在程序算法编制上复杂程度也较高,从而也带来了可靠性的风险。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决,提供一种设计形式合理、计算速度快、测量真实性与准确性高且更加适合于嵌入式单片机的程序实现的智能力传感器测量非线性温度漂移的温度补偿方法。
为达到上述发明目的而设计的智能力传感器测量非线性温度漂移的温度补偿方法是一种在力传感器数字化的基础上,采用多温区标定并使用复合查表法进行快速非线性温度数字补偿计算,进而实现力传感器非线性温度补偿的方法,它包括下述步骤:
1、将被标定的智能力传感器的工作温度在-20℃~60℃范围分为-20℃~-10℃、-10℃~0℃、0℃~10℃、10℃~20℃、20℃~30℃、30℃~40℃、40℃~50℃和50℃~60℃共八个温区;
2、利用复合加载标定装置调节被标定智能力传感器的环境温度,使其分别达到前述八个温区中的一个温度点,共八个温度点,分别记为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8
3、在每个温度点上保温至少1小时后,采用5段6点标定法对各温度点进行智能力传感器载荷标定,即在温度点为Tn时(n=1、2、3、4、5、6、7、8),标定数据包括工作环境温度Tn的温度内码值DTn、该温度点之零点载荷Fn0的载荷内码值DnFn0、该温度点之1/5载荷Fn1的载荷内码值DnFn1、该温度点之2/5载荷Fn2的载荷内码值DnFn2、该温度点之3/5载荷Fn3的载荷内码值DnFn3、该温度点之4/5载荷Fn4的载荷内码值DnFn4以及该温度点之满载荷Fn5的载荷内码值DnFn5,将八个温度点逐一标定完成后,将获得八组标定数据和标定时的各温度内码值进行列表记录,并将数据表按次序存入智能力传感器的数据存储器中进行存储;
4、在智能力传感器实际测量使用中由CPU获得智能力传感器当前的环境温度值Tm和该温度点的载荷信号内码值DFm,首先将Tm值同Tn进行比较,选出大于Tm的最接近的一个标定的工作环境温度值Tn作为标定数据组,再将该温度点的载荷信号内码值DFm与该标定数据组的标定载荷内码值进行比较,选出DFm两端最接近的两个载荷内码值DnFnx和DnFn(x+1)作为标定载荷数据组(x=0、1、2、3、4、5),按照下列的标准化计算式进行计算:
F=DFm×{[Fnx-Fn(x-1)]/[DnFn(x+1)-DnFnx]}+Fn(x-1)
最终获得测量的载荷值F并输出。
在上述发明步骤中,利用复合加载标定装置调节被标定传感器的环境温度,使其分别达到的八个温度点T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7和T8的数值依次为-15℃、-5℃、5℃、15℃、25℃、35℃、45℃和55℃。
本发明所述补偿方法建立的依据原理如下所述。
电阻应变式智能力传感器的温度重复性很高。虽然载荷器的输出信号会随着环境温度的变化而变化(在载荷恒定的情况下),但是信号的变化量同温度的变化为单调函数关系,即,在载荷恒定的情况下,温度的变化量同传感器载荷信号输出的变化量是唯一对应关系。因此可以使用复合标定***(可以改变施加给力传感器的标准载荷量和力传感器的环境温度的装置)实现温度、载荷、信号输出三者的多维拟合一元函数关系。参见图1所示的载荷、信号与温度曲线图
在不同的温度环境下(T1、T2、T3、T4),载荷与输出信号之间的函数关系有细微的变化,这是因为电阻应变片附着的弹性体的弹性模量受温度的影响造成的,且这一变化无法采用物理的方法加以改变,只能选择特定的弹性材料加以改善而已。但是,值得注意的是,在每一个温度点上,载荷与信号输出成正比,且具有很好的温度复现性,因此可以采取将环境温度分区(即将全温度范围进行了分段处理),在每一个温度区内对载荷与输出曲线信号进行线段拟合的办法实现全温区信号非线性补偿。具体的拟合方法如图2所示。
图2为一个固定环境温度下的载荷——信号拟合图,即应变式智能力传感器的载荷/信号曲线线段拟合图。图中曲线S为实际的载荷——信号关系曲线,采用端点法直线拟合可获得拟合直线L,由此产生的测量误差可以在图中看出,最大误差记为H1。如果采用线段差值拟合,则可以由L1、L2、L3、L4、L5共同组成拟合曲线,可以看出,采用该方法获得的拟合图形更加逼近实际的信号曲线S,产生的最大误差也可由H2来标记。不难看出,H1>>H2,因此,可以得出采用线段差值进行单调曲线拟合的方法所产生的测量误差远比端点法产生的误差小得多的结论。而且在拟合图形上,对于任一点的载荷F,有且只有一个输出信号D与之对应,且成线性关系D=KF+C(K,C均为常数),反之,也可以得到F=k D+c的函数式(k,c也为常数),即当测量到一个信号D时,必定有且只有一个载荷F与之对应。由此实现了在一个固定环境温度下的信号拟合与测量。
将上述方法推广到每一个划定的温度区域内进行载荷——信号曲线的显端差值拟合,就可得到一组不同温度条件下的载荷F与输出信号D之间的拟合图形,其函数表达式为:
D1=K1F+C1    环境温度为T1时(K1,C1为常数)
D2=K2F+C2    环境温度为T2时(K2,C2为常数)
……
……
D8=K8F+C8    环境温度为T8时(K8,C8为常数)
由此可获得载荷与测量到的信号之间的函数关系为
D1=k1F+c1    环境温度为T1时(k1, c1为常数)
D2=k2F+c2    环境温度为T2时(k2,c2为常数)
……
……
D8=k8F+c8     环境温度为T8时(k8,c8为常数)
依据上述关系式,当我们进行测量时,首先获得环境温度的测量值,由此判断选取对应的环境温度下的函数关系式,在依据测量到的信号计算出对应的载荷值,即得到上述的标准化计算式
F=DFm×{[Fnx-Fn(x-1)]/[DnFn(x+1)-DnFnx]}+Fn(x-1)
进而实现了高精度测量。
为了验证上述温度补偿方法的准确性,本发明设计者曾对溅射薄膜型和硅压阻类型等应变式智能力传感器进行了标定和测试实验,测试温箱是程控温箱,测试中补偿前和补偿后的测试均采用同一块电路模块。测试结果表明:采用本发明方案对应变式智能力传感器进行温度补偿后,应变式智能力传感器的非线性技术指标在不同温度环境中均有很大提高,能保证在所有温度环境下,传感器的非线性误差都控制在与传感器的重复性指标一致的水平上。
附图说明
图1是应变式智能力传感器的载荷、信号与温度曲线图。
图2是应变式智能力传感器的载荷/信号曲线线段拟合图。
具体实施方式
本发明所述温度补偿方法的的实现步骤分为多温区标定、标定数据表格化存储、测量数据的查表法计算三部分。
首先,在进行传感器标定时,将传感器的工作温度范围(一般为-20℃~60℃)分为8个温区,即-20℃~-10℃、-10℃~0℃、0℃~10℃、10℃~20℃、20℃~30℃、30℃~40℃、40℃~50℃,50℃~60℃。使用复合加载标定装置调节被标定传感器的环境温度,使其分别达到-15℃、-5℃、5℃、15℃、25℃、35℃、45℃、55℃共8个温度点,将其分别记为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8,在每个温度点上保温至少1小时后进行传感器载荷标定,并将标定数据和标定时的温度内码值进行记录。如,在温度为T1时,采用5段6点标定法进行标定,标定数据为:工作环境温度T1、温度内码值DT1、T1温度点的零点载荷零点载荷F10及载荷内码值D1F10、T1温度点的1/5载荷F11及载荷内码值D1F11、T1温度点的2/5载荷F12及载荷内码值D1F12、T1温度点的3/5载荷F13及载荷内码值D1F13、T1温度点的4/5载荷F14及载荷内码值D1F14、T1温度点的满载荷F15及载荷内码值D1F15。当我们将8个温度点逐一标定完成后,可获得8组标定数据,每个温度点一组。标定数据记录如下:
T1:(T1,DT1)、(F10,D1F10)、(F11,D1F11)、(F12,D1F12)、(F13,D1F13)、(F14,D1F14)、(F15,D1F15);
T2:(T2,DT2)、(F20,D2F20)、(F21,D2F21)、(F2,D2F22)、(F23,D2F23)、(F24,D2F24)、(F25,D2F25);
……
……
T8:(T8,DT8)、(F80,D8F80)、(F81,D8F81)、(F82,D8F82)、(F83,D8F83)、(F84,D8F84)、(F85,D8F85);
然后将上述数据表按次序存入智能力传感器的数据存储器中进行存储。存储格式见下表:
Figure GSB00000347415700081
Figure GSB00000347415700091
Figure GSB00000347415700101
智能传感器在实际测量使用中,传感器的CPU将获得传感器当前的环境温度Tm和载荷信号DFm的内码值,获得这两个数据后,CPU先将环境温度Tm同T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8比较,以确定使用哪一组标定数据进行标准化计算,当确定了使用的标定数据组后,在将载荷内码值DFm与该标定数据组的标定载荷内码值进行比较,以确定使用哪一段标定数据段进行标准化计算,最终获得测量的载荷值并输出。实例如下:
如果Tm同T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8比较后,T2<Tm<T3,使用T3温区的标定数据组;而DFm同T3温区的标定数据组D3F30、D3F31、D3F32、D3F33、D3F34、D3F35进行比较后,D3F34<DFm<D3F35,则测量得到的该智能传感器的载荷值F为:
F=DFm×(F34-F33)/(D3F35-D3F34)+F33
至此,即完成了载荷测量并实现了载荷的非线性温度补偿。
由上述方法陈述可见,在补偿运算中,只使用了简单的加减乘除运算,因此,对于单片机而言,运算速度很快。

Claims (2)

1.一种智能力传感器测量非线性温度漂移的温度补偿方法,其特征在于包括下述步骤:
1.1将被标定的智能力传感器的工作温度在-20℃~60℃范围分为-20℃~-10℃、-10℃~0℃、0℃~10℃、10℃~20℃、20℃~30℃、30℃~40℃、40℃~50℃和50℃~60℃共八个温区;
1.2利用复合加载标定装置调节被标定智能力传感器的环境温度,使其分别达到前述八个温区中的一个温度点,共八个温度点,分别记为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8
1.3在每个温度点上保温至少1小时后,采用5段6点标定法对各温度点进行智能力传感器载荷标定,即在温度点为Tn时(n=1、2、3、4、5、6、7、8),标定数据包括工作环境温度Tn的温度内码值DTn、该温度点之零点载荷Fn0的载荷内码值DnFn0、该温度点之1/5载荷Fn1的载荷内码值DnFn1、该温度点之2/5载荷Fn2的载荷内码值DnFn2、该温度点之3/5载荷Fn3的载荷内码值DnFn3、该温度点之4/5载荷Fn4的载荷内码值DnFn4以及该温度点之满载荷Fn5的载荷内码值DnFn5,将八个温度点逐一标定完成后,将获得八组标定数据和标定时的各温度内码值进行列表记录,并将数据表按次序存入智能力传感器的数据存储器中进行存储;
1.4在智能力传感器实际测量使用中由CPU获得智能力传感器当前的环境温度值Tm和该温度点的载荷信号内码值DFm,首先将Tm值同Tn进行比较,选出大于Tm的最接近的一个标定的工作环境温度值Tn作为标定数据组,再将该温度点的载荷信号内码值DFm与该标定数据组的标定载荷内码值进行比较,选出DFm两端最接近的两个载荷内码值DnFnx和DnFn(x+1)作为标定载荷数据组(x=0、1、2、3、4、5),按照下列的标准化计算式进行计算:
F=DFm×{[Fnx-Fn(x-1)]/[DnFn(x+1)-DnFnx]}+Fn(x-1)
最终获得测量的载荷值F并输出。
2.根据权利要求1所述的智能力传感器测量非线性温度漂移的温度补偿方法,其特征是利用复合加载标定装置调节被标定传感器的环境温度,使其分别达到的八个温度点依次为-15℃、-5℃、5℃、15℃、25℃、35℃、45℃和55℃。
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