在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、非電量電測(cè)系統(tǒng)中，廣泛使用了種類(lèi)繁多的傳感器，在測(cè)量和控制過(guò)程中起著重要作用。傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)物理信號(hào)的正確與否，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。

1 傳感器輸入通道

本文只針對(duì)模擬傳感器即輸出模擬量電信號(hào)進(jìn)行討論，并不涉及有關(guān)數(shù)字傳感器。通常，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般對(duì)傳感器的接入如圖1所示。


這里以力傳感器(多為mV級(jí)信號(hào))為例，首先，經(jīng)多路采樣開(kāi)關(guān)采樣，進(jìn)入放大器進(jìn)行直流放大，最后放大的信號(hào)被送入ADC(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，期間對(duì)快速瞬變的信號(hào)還須經(jīng)采樣保持處理。ADC將放大后的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的這些數(shù)字量信息，雖代表各種物理量參數(shù)值的大小，仍須經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換(工程量變換)，將它轉(zhuǎn)換成原來(lái)參數(shù)的真實(shí)值，以便進(jìn)行顯示、計(jì)算和處理。

要保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能獲取到現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)被檢測(cè)信息，保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，有必要采取不失真的變換方法來(lái)獲取現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)信息，對(duì)傳感器輸入通道的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)定。

2 輸入標(biāo)定思想

一般情況下，位移輸入沒(méi)有類(lèi)似力反饋的內(nèi)部硬件增益。

圖2所示是力、位移傳感器輸入標(biāo)定模塊圖。通常位移反饋信號(hào)(LVDT或電位計(jì)式)的放大計(jì)算類(lèi)似力傳感器信號(hào)的放大，但是它們同樣需要計(jì)算增益，并使?jié)M量程的最大最小值保持在±10V.


圖3所示是力、位移傳感器輸入標(biāo)定比較圖。


首先來(lái)研究力傳感器的輸入。與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接的力傳感器，是一個(gè)連接有激勵(lì)電壓的惠斯通電橋，它能夠輸出以mV為單位的反饋信號(hào)[3].這個(gè)信號(hào)的強(qiáng)弱與激勵(lì)電壓有關(guān)，如激勵(lì)電壓采用10 V，要由非常精確的線(xiàn)性電源提供(內(nèi)部或獨(dú)立的外置電源)，力傳感器最終的輸出信號(hào)與在力傳感器上施加的外部力成比例，這個(gè)mV級(jí)信號(hào)即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測(cè)量的力信號(hào)。
[page]
其次是確定已選力傳感器靈敏度。力傳感器靈敏度是由計(jì)量部門(mén)使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力機(jī)檢定得出的，并在力傳感器檢定證書(shū)中標(biāo)明。例如，力傳感器靈敏度為1. 979 8 mV/V.
然后是確定硬件增益。為了使ADC獲得最佳的分辨率，這個(gè)mV級(jí)信號(hào)需要通過(guò)硬件增益來(lái)放大，以使信號(hào)盡可能逼近滿(mǎn)量程的±10 V.用戶(hù)確定特定力傳感器所需要的一擋增益是非常簡(jiǎn)單的，如表1所列。

對(duì)于具有確定靈敏度系數(shù)的力傳感器來(lái)講，放大后的信號(hào)電壓范圍可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

放大后的信號(hào)電壓=激勵(lì)電壓值×力傳感器靈敏度×放大系數(shù)

每一級(jí)放大系數(shù)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的理想力傳感器靈敏度，它是能給出最大放大效果的那一個(gè)靈敏度。例如，對(duì)于硬件增益500倍來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)的力傳感器的理想靈敏度為2 mV/V.
任何超過(guò)2 mV/V的信號(hào)都將導(dǎo)致總放大后的信號(hào)超過(guò)10 V和A/D轉(zhuǎn)換器輸入的飽和。這將被視為信號(hào)截?cái)?，從而無(wú)法達(dá)到全量程測(cè)量?？梢钥吹讲捎梅糯笙禂?shù)500時(shí)最接近10 V，表明沒(méi)有信號(hào)被截?cái)?，因此它就是我們需要的最理想的放大系?shù)。下面通過(guò)幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換器

傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理即放大后，就要被送入到ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于放大器和ADC本身有微小的誤差，通常有必要對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)進(jìn)行修正以便獲得一個(gè)更精確的信號(hào)。這通過(guò)輸入通道標(biāo)定增益(Calibration Gain)和零偏(CalibrationOffset)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 力傳感器修正

反饋信號(hào)隨后通過(guò)一個(gè)以10級(jí)20行表格形式構(gòu)成的軟件放大器做進(jìn)一步的修正。這個(gè)表格的目的是用來(lái)修正力傳感器的非線(xiàn)性，采用多步分段式的方法。通常力傳感器的非線(xiàn)性區(qū)出現(xiàn)在使用極限狀況下(100%量程)，因此通常采用一個(gè)傳感器標(biāo)定增益和零偏就足夠了。

2.3 力傳感器標(biāo)定零偏

對(duì)于具有特定靈敏度的力傳感器，以下的例子計(jì)算結(jié)果都少于10 V，這表明沒(méi)有信號(hào)截?cái)唷＠纾?br />
10×1.934 mV/V×500 = 9.670 V10×2.321 mV/V×250 = 5.800 V然而，±10 V的整個(gè)測(cè)量范圍卻沒(méi)有達(dá)到。為了使反饋信號(hào)放大到滿(mǎn)量程的最大、最小力，就要使用力傳感器標(biāo)定增益(10級(jí)表格)。

為了快速確定力傳感器所需標(biāo)定增益，一是用對(duì)應(yīng)的理想最大輸入電壓除以實(shí)際放大后信號(hào)電壓，二是用對(duì)應(yīng)的理想靈敏度除以實(shí)際靈敏度，表3和表4所列就是兩種計(jì)算力傳感器標(biāo)定增益的方法值。

由于力傳感器的靜態(tài)零偏或作用在力傳感器上的其他質(zhì)量，測(cè)量信號(hào)中將會(huì)看到零偏。利用10級(jí)表格零偏列參數(shù)輸入可消除這個(gè)偏移，以全量程的百分比值輸入后的力傳感器標(biāo)定零偏如表5所列。

自此，軟件中的讀數(shù)將以滿(mǎn)量程的百分比形式準(zhǔn)確地顯示，或以工程值準(zhǔn)確顯示。
[page]
3 輸入標(biāo)定過(guò)程

以力傳感器輸入通道的標(biāo)定過(guò)程為例予以說(shuō)明。力的標(biāo)定過(guò)程分為兩部分進(jìn)行。

3.1 輸入通道增益和零偏的標(biāo)定

如采用一個(gè)獨(dú)立的精確電源作為輸入，返回信號(hào)需要通過(guò)一個(gè)1 MΩ的電阻連接到模擬地。避免由信調(diào)器電路的輸入電流的偏差而帶來(lái)的輸入電壓的不穩(wěn)定。同樣，也需要測(cè)量激勵(lì)電壓在電纜末端的電壓值，并把它考慮進(jìn)來(lái)。所以，強(qiáng)烈建議用戶(hù)采用標(biāo)定盒來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。

確定已連力傳感器的靈敏度，例如，力傳感器靈敏度為1.979 8 mV/V.

確定反饋信號(hào)量程范圍是從-10 ~ +10 V.為了能夠充分利用整個(gè)量程，最理想的辦法是采用放大系數(shù)，這個(gè)放大因子可以把反饋信號(hào)放大到±10 V范圍內(nèi)。通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是采用硬件增益，另一是輸入通道標(biāo)定增益。

現(xiàn)以硬件增益為例，選擇能夠把反饋信號(hào)放大到小于或等于10 V的放大系數(shù)?？梢钥吹讲捎梅糯笙禂?shù)500倍時(shí)最接近10 V，因此它就是我們需要的最理想的放大系數(shù)。必須確保最終電壓不超過(guò)極限(-10 ~ +10 V)。若超過(guò)了極限，可能出現(xiàn)無(wú)法預(yù)測(cè)的后果。

在確定了硬件增益后，再把一個(gè)mV級(jí)高精度電源或一個(gè)標(biāo)定盒或參考力傳感器連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的傳感器輸入通道上。

由于放大器和ADC不是完全理想的，自身存在很小的誤差，達(dá)到的增益不可能確切就是所選擇的硬件增益。為了確保最終信號(hào)不會(huì)高于+10 V或低于-10 V，建議標(biāo)定工作在滿(mǎn)量程的50%范圍內(nèi)進(jìn)行。

例如，與所選硬件增益500對(duì)應(yīng)的理想靈敏度為：

10 V反饋電壓/(10 V激勵(lì)電壓×500)= 2 mV/V

需要注意的是，激勵(lì)電壓以+5 V、-5 V形式給出，而要以一個(gè)mV級(jí)高精度電源來(lái)仿真模擬力傳感器輸出信號(hào)，一般可選擇+10mV和-10mV作為輸出來(lái)模擬50%的載荷。這樣：
5 V激勵(lì)電壓(50%的10 V激勵(lì)電壓)×2 mV/V = 10 mV因此有：

10 mV×500 = 5 000 mV反饋電壓(50%的10 V反饋電壓)為力傳感器輸入通道施加代表50%量程的模擬信號(hào)輸入(10 mV)，同時(shí)將力反饋拖入到軟件的圖形取樣窗口中，可以看到顯示的平均值接近50%.為了把這個(gè)值調(diào)整到準(zhǔn)確的50%，就需要對(duì)輸入通道進(jìn)行標(biāo)定。選擇菜單中的“Calibrate”

按鈕，就可以打開(kāi)如圖4所示的窗口。


對(duì)話(huà)框中的“Current Values”方框中顯示來(lái)自輸入反饋的mV電源、標(biāo)定盒或參考力傳感器的當(dāng)前電壓百分?jǐn)?shù)值。“Unscaled value”應(yīng)該顯示一個(gè)接近-50%的讀數(shù)。點(diǎn)擊“Copy”，把這“Unscaled value”復(fù)制到“Unscaled value”列的第一行。隨后，在“Scaled value”列的第一行中輸入我們的期望值(-50%)。

轉(zhuǎn)換mV級(jí)電源或力傳感器的極性。“Unscaled value”

應(yīng)該顯示一個(gè)接近+50%的讀數(shù)。把這個(gè)值復(fù)制到“Unscaledvalue”列的第二行，并在“Scaled value”列的第二行輸入+50%的值。

現(xiàn)在，按下“Calculate(計(jì)算)”按鈕，軟件開(kāi)始計(jì)算該傳感器輸入通道標(biāo)定增益和零偏以達(dá)到期望的Scaled值。按下“Apply(應(yīng)用)”按鈕，這些值將被保存到計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)中。
3.2 力傳感器的增益和零偏標(biāo)定

這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上就是力傳感器標(biāo)定的設(shè)定，即參數(shù)表格中的增益和零偏。

上述輸入通道標(biāo)定增益和零偏，都是以理想力傳感器靈敏度進(jìn)行的，而最終實(shí)際的力傳感器靈敏度并不等同于理想力傳感器靈敏度，因此為了得到真實(shí)的力反饋信息，就需要對(duì)上述輸入通道的標(biāo)定增益和零偏進(jìn)行修正。方法如下：

(1)對(duì)實(shí)際力傳感器的靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償。修正系數(shù)利用公式計(jì)算：

修正系數(shù)=理想靈敏度(mV/V)/實(shí)際靈敏度(mV/V)示例：LC靈敏度修正系數(shù)= 2 / 1.979 8 = 1.010 2.

(2)系統(tǒng)的最終增益。利用公式計(jì)算：

系統(tǒng)的最終增益=輸入通道標(biāo)定增益×LC靈敏度修正系數(shù)示例：系統(tǒng)最終增益= 1.004 37×1.010 2 = 1.014 61.

(3)將真實(shí)力傳感器連接到傳感器輸入通道后，用手拉或壓一下力傳感器來(lái)檢查增益的符號(hào)。如果不正確的話(huà)，給系統(tǒng)增益改變一下正負(fù)號(hào)。

(4)由于力傳感器自身的靜態(tài)零偏或施加在力傳感器上的質(zhì)量，可以看到一個(gè)小的零點(diǎn)偏移。在軟件圖形窗口中看到的偏移值，從系統(tǒng)零偏(System offset)中加上或減去(如果需要的話(huà))這個(gè)值。

(5)保存力傳感器的LC靈敏度修正系數(shù)、系統(tǒng)最終增益和系統(tǒng)零偏(Save the configuration)到軟件系統(tǒng)中。

至此，就完成了實(shí)際力傳感器的輸入標(biāo)定。

結(jié)語(yǔ)

本傳感器(力、位移)輸入標(biāo)定實(shí)現(xiàn)方法，首先按實(shí)際要接入的傳感器相對(duì)應(yīng)的理想傳感器對(duì)輸入通道(硬件)進(jìn)行標(biāo)定，得到理想傳感器輸入通道標(biāo)定增益和零偏;最后對(duì)實(shí)際要接入的傳感器(軟件)進(jìn)行補(bǔ)償，得到系統(tǒng)最終增益及系統(tǒng)零偏。

這一方法可方便、精確地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)傳感器輸入標(biāo)定。譬如，一個(gè)力傳感器需要經(jīng)常在計(jì)量部門(mén)標(biāo)定，只需根據(jù)新標(biāo)定的實(shí)際靈敏度，重新計(jì)算出LC靈敏度修正系數(shù)、系統(tǒng)最終增益及得到系統(tǒng)零偏，即可完成對(duì)該對(duì)力傳感器的輸入標(biāo)定。這一方法已經(jīng)在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)得到應(yīng)用，效果良好，值得推廣和借鑒。

相關(guān)閱讀：

拆解狂魔：一拆便知太陽(yáng)能溫度傳感器
【安全系統(tǒng)應(yīng)用篇】只需五步，輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器
【布局設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例篇】只需五步，輕松設(shè)計(jì)出電容式觸摸傳感器