傳感器溫度性能補償及信號濾波方法
感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
傳感器獲取信號受溫度和環(huán)境干擾影響,輸出信號會產(chǎn)生溫度漂移或夾雜著噪聲及各種干擾信號。為了準(zhǔn)確獲被檢測對象的定量信息,必須對傳感器的信號進行處理。一般通過補償、濾波和噪聲抑制等方法來提高傳感器的溫度穩(wěn)定性、信噪比和改善分辨率。
傳感器的溫度漂移和干擾信號可通過硬件補償濾波或軟件算法實現(xiàn)。
溫度漂移補償
溫度漂移的原因很多,任何元件參數(shù)的變化,都將造成輸出電壓漂移。實踐證明,溫度是產(chǎn)生漂移的主要原因,彈性元件和電阻應(yīng)變計的敏感柵材料溫度系數(shù),線脹系數(shù)不同,組橋引線長度不一致等綜合因素,都會導(dǎo)致傳感器的初始零點和輸出靈敏度發(fā)生溫度漂移。
傳感器的溫度漂移補償分為硬件補償和軟件補償。
1、硬件補償
對電阻應(yīng)變式傳感器而言,方法有在橋臂上串、并聯(lián)恰當(dāng)恒定電阻法,橋臂熱敏電阻補償法,橋外串、并聯(lián)熱敏電阻補償法,雙電橋補償技術(shù)、三極管補償技術(shù)等。最常用的是在橋臂中串聯(lián)溫度系數(shù)較大的熱敏電阻對溫度零點漂移進行補償,在電源回路中串聯(lián)熱敏電阻對溫度靈敏度漂移進行補償。如下圖所示:圖1
圖1中,R1~R4為電阻應(yīng)變計,粘貼于彈性元件的敏感區(qū);Rt1、Rt2為溫度零點漂移補償元件,可選用我公司的RNF2-AT型溫度零點漂移補償應(yīng)變計;Rz1、Rz2為零點平衡補償元件,可選用我公司的RCF8-AZ型零點平衡補償應(yīng)變計;Rt3、Rt4為溫度靈敏度漂移補償元件,可選用我公司的RNF**-CZ型溫度靈敏度漂移補償應(yīng)變計。
橋臂中串聯(lián)Rt1、Rt2、Rt3、Rt4為熱敏電阻,其溫度系數(shù)遠大于電阻應(yīng)變計的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度發(fā)生變化時,熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而變化,通過調(diào)整熱敏電阻的初始阻值大小改變溫度條件下其電阻變化量,從而改變橋臂電阻平衡和改變供橋電壓大小,抵消因溫度引起的信號漂移,實現(xiàn)溫度補償目的。
補償時,分別在高低溫環(huán)境下記錄下傳感器的初始零點和輸出靈敏度數(shù)據(jù)。根據(jù)高低溫下的初始零點差值大小,通過摩擦或切割方式改變對應(yīng)正負方向的溫度零點漂移補償元件的初始電阻值,對零點溫度漂移進行補償。根據(jù)高低溫環(huán)境下輸出靈敏度差值大小,選擇對應(yīng)電阻的溫度補償元件(可通過切割或摩擦方式對補償元件的電阻進行微調(diào)),對傳感器的輸出靈敏度漂移進行補償。補償完成后,應(yīng)再次升降溫進行復(fù)查,直至性能指標(biāo)滿足要求為止。
2、軟件補償
利用單片機速度快的特點,增加溫度傳感器,實時采集傳感器的工作溫度。并根據(jù)傳感器在一定溫度范圍內(nèi),零點漂移和靈敏度的變化量,計算出溫度變化、傳感器實時數(shù)據(jù)與溫度變化與零點、靈敏度的漂移量公式,實時進行補償運算。
信號濾波
傳感器的輸出信號中往往含有動態(tài)噪聲,如果信號的頻譜和噪聲頻譜不重合,則可用濾波器消除噪聲。濾波器按信號類型可以分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。
模擬濾波器,主要通過在傳感器測量電路中增加濾波元件實現(xiàn)。如在傳感器的供電電源上加裝電容,電感來濾波,以增強電源輸出的穩(wěn)定性,減少電源中噪聲;在信號輸出端加轉(zhuǎn)RC或LC濾波網(wǎng)絡(luò),濾除信號中的噪聲。
數(shù)字濾波器,實質(zhì)上是一種程序濾波,主要有算數(shù)平均濾波。其原理是,在傳感器的采集程序中,對信號連續(xù)進行n次采樣,然后求得n次采樣的平均值,作為傳感器的有效值輸出。其中采樣次數(shù)n越大,濾波效果越好,但靈敏度越低,所以在實際使用中,根據(jù)傳感器自身的穩(wěn)定性,設(shè)置不同的n值,以獲得最佳效果。
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