CN103900619B - 一种非线性电阻式传感器的线性化方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非线性电阻式传感器的线性化方法，对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，对每个分段进行线性化。根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线。一种实现非线性电阻式传感器的线性化方法的电路，包括分压电阻网络，传感器与分压电阻网络串联，所述的线性化电路载有电源；所述的分压电阻网络包括至少一级分压电路，用于对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线。
Description
技术领域
本发明涉及线性化非线性传感器的领域，更具体地说，涉及一种非线性电阻式传感器的线性化方法，并提供一种实现非线性电阻式传感器的线性化方法的电路。
背景技术
随着时代的发展，新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取该信息的主要途径与手段。当今传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、医学诊断、等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程***，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。在这各式各样的传感器中又以电阻式传感器居多，然而电阻式传感器的变化曲线绝大多数都是非线性的。如图1所示的NTC热敏电阻规格数据表；图2所示的油温NTC热敏电阻的特性曲线，由图1的NTC热敏电阻规格数据转换得到，由图中可见，前段变化非常大，后面非常小，且变化范围宽，无法兼顾。
传统几种非线性电阻的线性方法如下：
1、线性化网络：用温度系数很小的精密电阻与热敏电阻串联或并联构成电阻网络代替单个热敏电阻。不足为：其等效电阻与温度的线性关系只是得到轻微的改善，且不够灵活。
2、计算修正法：当已知传感器阻值的实际特性和要求的理想特性时，可采用线性插值等方法将特性分段并把分段点的值存放在微处理器中，微处理器将根据传感器的实际输出值进行修正后给出正确的输出值。不足为：软件补救措施，对特性曲线进行修正，而对电路性能并无改进。
3、利用频率转换电路改善非线性输出：利用RC电路充放电过程的指数函数和传感器电阻的指数函数相比较的方法来改善传感器电阻的非线性输出。不足为：电路较为复杂，容易受到干扰，成本较高。
此外，中国发明专利ZL01818683.1公开了一种传感器输出的修正方法，在被测定物的上方，配置通过光照射用LED，成像透镜做媒介的CMOS区传感器。为了感知LED的光量，再配置光检测器。专用计算机对区传感器的输出进行线性化处理和亮度不均匀修正处理。前者对区传感器的输出进行修正，使光量发生变化时的区传感器的输出与光检测器的输出成正比；后者修正各像素的输出，使测量作为被测定物的面内均匀的平板时的区传感器的各像素的输出，经过线性化处理修正后，成为面内均匀的状态。可以实现不需要机械驱动的简便的二维反射率测量方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在误差允许的范围内，可以将传感器特性曲线线性化，得到变化比较均匀的曲线，在相同的AD精度（位数）下，可以扩宽该AD可采集的电阻范围，简单高效的非线性电阻式传感器的线性化方法，及基于所述方法的线性化电路。
本发明的技术方案如下：
一种非线性电阻式传感器的线性化方法，对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，对每个分段进行线性化。
作为优选，根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线。
作为优选，线性电压特性曲线的实现具体为：利用开关管的管压降对曲线不同的变化趋势进行分段，每个分段对应一级开关管，开关管的压降决定每个分段的区间；然后根据不同的分段和各分段预设的线性程度选取相应阻值的分压电阻，对传感器进行分压，使分压后的加载在传感器上的电压落在预设的线性特性曲线上。
作为优选，当传感器阻值变小时，分压电阻的分压变大，当分压电阻的分压超过开关管的压降时，开关管导通，下一级分压电阻并入当前级分压电阻，改变总分压电阻，以此循环。
作为优选，上一级分压电阻与上一级开关管并联，上一级开关管与下一级分压电阻串联；下一级分压电阻与下一级开关管并联，下一级开关管与第三级分压电阻串联，以此循环。
作为优选，得到线性的电压特性曲线后，经模数转换后，进行数据的采集、处理。
一种非线性电阻式传感器的线性化电路，包括分压电阻网络，传感器与分压电阻网络串联，所述的线性化电路载有电源；所述的分压电阻网络包括至少一级分压电路，用于对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线。
作为优选，所述的分压电路包括分压电阻、开关管，分压电阻与开关管并联。
作为优选，分压电路逐级并联，具体为：上一级分压电阻与上一级开关管并联，上一级开关管与下一级分压电阻串联；下一级分压电阻与下一级开关管并联，下一级开关管与第三级分压电阻串联，以此循环。
作为优选，所述的开关管为二极管或稳压管。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的方法在误差允许的范围内，可以将传感器特性曲线线性化，得到变化比较均匀的曲线；在相同的AD精度（位数）下，可以扩宽该AD可采集的电阻范围。
本发明所述的电路是对于非线性电阻式传感器信号采集的一种比较简单、高效的解决方法。通过选取合适的电源分压电阻和对应的二极管或稳压管，就可以比较完美的解决非线性电阻式传感器特性曲线复杂和阻值变化范围太大等问题。该方法可以得到模拟量与电压值变化比较均匀、线性的曲线，并且如果在误差允许范围内，甚至可以将特性曲线拟合成直线，优化软件建表或算法处理等流程，降低对MCU资源的占用。
附图说明
图1是NTC热敏电阻规格数据表；
图2是由图1转换得到的NTC传感器阻值与温度曲线；
图3是现有技术的传感器采集电路；
图4是本发明所述的电路示意图；
图5是由表1的实测数据转化得到的线性电路输出的NTC传感器电压与温度曲线；
图中：R1、R2、R3、R4、R5是电阻，D1、D2、D3、D4是二极管，RT是电阻式传感器，ADValue是数据采集端口，VCC是电源，GND是接地。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明的方法主要原理是根据环境模拟量与电阻式传感器阻值特性曲线需要线性化的程度，利用二极管或稳压管的管压降对曲线不同的变化趋势进行分段，然后在根据不同的分段和各分段需要线性的程度选取相应不同的电阻阻值，使分压后的电压落在预拟合的直线或曲线上。
一种非线性电阻式传感器的线性化方法，对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，对每个分段进行线性化。根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线。
线性电压特性曲线的实现具体为：利用开关管的管压降对曲线不同的变化趋势进行分段，每个分段对应一级开关管，开关管的压降决定每个分段的区间；然后根据不同的分段和各分段预设的线性程度选取相应阻值的分压电阻，对传感器进行分压，使分压后的加载在传感器上的电压落在预设的线性特性曲线上。当传感器阻值变小时，分压电阻的分压变大，当分压电阻的分压超过开关管的压降时，开关管导通，下一级分压电阻并入当前级分压电阻，改变总分压电阻，以此循环。
上一级分压电阻与上一级开关管并联，上一级开关管与下一级分压电阻串联；下一级分压电阻与下一级开关管并联，下一级开关管与第三级分压电阻串联，以此循环。
得到线性的电压特性曲线后，经模数转换后，进行数据的采集、处理。
所述的分段线性的方法对于电阻变化量（如：电阻式传感器）的处理、转化、采集是一种比较通用、高性能的方法（首先把变化多样的电阻量通过分段处理的方法转为变化比较均匀的电压曲线，再经过模数（AD）转换后由CPU采集、处理）。根据电阻式传感器的变化自动变换该电阻式传感器的分压电阻大小，得以实时跟踪传感器阻值的变化，使采集后的电压曲线变化更为均匀、线性，易于采集处理。
对于普通传感器（变化较为简单、范围较小、线性度较好）只需通过外加一个电阻连接到AD参考电源构成分压后，加一个跟随器既可由CPU采集，如图3所示。
如图4所示的一种非线性电阻式传感器的线性化电路，包括分压电阻网络，传感器与分压电阻网络串联，所述的线性化电路载有电源；所述的分压电阻网络包括至少一级分压电路，用于对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线。所述的分压电路包括分压电阻、开关管，分压电阻与开关管并联。本实施例中，所述的开关管为二极管或稳压管。
分压电路逐级并联，具体为：上一级分压电阻与上一级开关管并联，上一级开关管与下一级分压电阻串联；下一级分压电阻与下一级开关管并联，下一级开关管与第三级分压电阻串联，以此循环。
当传感器RT的阻值变小时，电阻R1上的分压变大，当电阻R1上的分压超过开关管D1的压降时，开关管D1导通使电阻R2并入分压网络，改变电源分压电阻。传感器RT的阻值继续变小，使电阻R2上的分压超过开关管D2的压降时，开关管D2接着导通，后面的变化以此类推。
故当环境模拟量变化引起传感器阻值相应变化时，就可通过该串联二极管阵列可对传感器电阻分压进行监控，并以此自动切换传感器的电源分压电阻。这样，就可以根据所需，使变换后的电压分段的落在预拟合的直线或曲线上，达到线性的效果。
本发明所述的电路，为针对于电阻量变化范围较大、变化曲线非线性较为突出的信号的处理，根据该电阻变化量，利用二极管具有的压降特性对其进行分段，进而时时跟踪传感器电阻量的变化，当传感器电阻值快速变小时，利用二极管对分压进行监控，控制传感器的分压电阻网络也跟着快速变小，反之，亦然。即可达到时时跟踪传感器电阻量的目的。
以油温NTC热敏电阻为例，油温NTC热敏电阻的平均分5段线性化的实际测量效果如表1所示：
表1：油温NTC热敏电阻线性化测量数据表
| 温度(摄氏度) | 电阻（欧姆） | 转换后电压(V) | AD值 |
| -40.0 | 36563.5 | 3.04 | 3371 |
| -35.0 | 26284.23 | 2.96 | 3283 |
| -30.0 | 19149.2 | 2.87 | 3187 |
| -25.0 | 14127.68 | 2.79 | 3093 |
| -20.0 | 10540.68 | 2.68 | 2970 |
| -15.0 | 7721.35 | 2.56 | 2835 |
| -10.0 | 5720.88 | 2.45 | 2719 |
| -5.0 | 4284.03 | 2.35 | 2607 |
| 0.0 | 3240.18 | 2.26 | 2505 |
| 5.0 | 2473.6 | 2.16 | 2397 |
| 10.0 | 1905.87 | 2.06 | 2283 |
| 15.0 | 1486.65 | 1.95 | 2167 |
| 20.0 | 1168.64 | 1.84 | 2045 |
| 25.0 | 926.71 | 1.74 | 1928 |
| 30.0 | 739.98 | 1.64 | 1817 |
| 35.0 | 594.9 | 1.55 | 1718 |
| 40.0 | 481.53 | 1.46 | 1625 |
| 45.0 | 392.57 | 1.38 | 1530 |
| 50.0 | 322.17 | 1.30 | 1440 |
| 55.0 | 266.19 | 1.21 | 1350 |
| 60.0 | 221.17 | 1.13 | 1260 |
| 65.0 | 184.72 | 1.06 | 1175 |
| 70.0 | 155.29 | 0.98 | 1091 |
| 75.0 | 131.38 | 0.91 | 1011 |
| 80.0 | 112.08 | 0.84 | 937 |
| 85.0 | 96.4 | 0.78 | 870 |
| 90.0 | 82.96 | 0.73 | 812 |
| 95.0 | 71.44 | 0.67 | 750 |
| 100.0 | 61.92 | 0.627 | 695 |
| 105.0 | 54.01 | 0.57 | 642 |
| 110.0 | 47.24 | 0.54 | 600 |
| 115.0 | 41.42 | 0.495 | 549 |
| 120.0 | 36.51 | 0.459 | 509 |
经过线性化后得到的特性电压与温度曲线如图5所示，特性曲线基本呈线性分布，便于准确采集。
依照本发明所述的方法，对电阻式传感器进行分段线性。关于参数的配置：首先得根据具体需求确认预拟合的曲线或直线，再根据电阻式传感器的变化曲线的趋势进行分段，然后对各个分段选取合适的电源分压电阻，使分压后的电压值落在预拟合的直线上，待几个电源分压电阻都确定后，最终再通过该电阻与传感器的阻值确定该分段所需的压降选取对应的二极管或稳压管。由于曲线的线性是分段，故在误差允许范围内是可通过曲线公式进行转换，否则就得由软件建表来转换。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (7)
1.一种非线性电阻式传感器的线性化方法，其特征在于，根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，对每个分段进行线性化；进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线；
线性电压特性曲线的实现具体为：利用开关管的管压降对曲线不同的变化趋势进行分段，每个分段对应一级开关管，开关管的压降决定每个分段的区间；然后根据不同的分段和各分段预设的线性程度选取相应阻值的分压电阻，对传感器进行分压，使分压后的加载在传感器上的电压落在预设的线性特性曲线上。
2.根据权利要求1所述的非线性电阻式传感器的线性化方法，其特征在于，当传感器阻值变小时，分压电阻的分压变大，当分压电阻的分压超过开关管的压降时，开关管导通，下一级分压电阻并入当前级分压电阻，改变总分压电阻，以此循环。
3.根据权利要求2所述的非线性电阻式传感器的线性化方法，其特征在于，上一级分压电阻与上一级开关管并联，上一级开关管与下一级分压电阻串联；下一级分压电阻与下一级开关管并联，下一级开关管与第三级分压电阻串联，以此循环。
4.根据权利要求1所述的非线性电阻式传感器的线性化方法，其特征在于，得到线性的电压特性曲线后，经模数转换后，进行数据的采集、处理。
5.一种非线性电阻式传感器的线性化电路，其特征在于，包括分压电阻网络，传感器与分压电阻网络串联，所述的线性化电路载有电源；所述的分压电阻网络包括至少一级分压电路，用于对非线性的传感器阻值特性曲线进行分段，根据传感器阻值特性曲线的阻值变化，提供阻值与传感器阻值变化趋势相同的动态的分压电阻网络，进而得到线性的传感器阻值与传感器分压特性曲线；所述的分压电路包括分压电阻、开关管，分压电阻与开关管并联。
6.根据权利要求5所述的非线性电阻式传感器的线性化电路，其特征在于，分压电路逐级并联，具体为：上一级分压电阻与上一级开关管并联，上一级开关管与下一级分压电阻串联；下一级分压电阻与下一级开关管并联，下一级开关管与第三级分压电阻串联，以此循环。
7.根据权利要求5所述的非线性电阻式传感器的线性化电路，其特征在于，所述的开关管为二极管或稳压管。
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