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单片机传感器测量系统温度误差补偿的解决方

芯片  |  2019-11-20  |  来源:潜江物联网云平台

单片机传感器丈量系统温度误差补偿的解决方案

1 引言

对高精度传感器,温度误差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依托传感器本身附加一些简单的硬件补偿措施是很困难的,目前对1传感器丈量系统已大量引入了单片机,实现自动检测和控制因此用单片机自身的特点,利用软件来解决传感器温度误差难题是一条有效途径

在1单片机传感器丈量系统中,要解决传感器温度误差补偿问题,首先要测出传感器点的温度,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,用来测量传感器点的环境温度,测温元件的输出经放大及A/D转换送到单片机,单片机通过并行接口接收温度数据,并暂存温度数据信号采样结束,单片机运行温度误差补偿程序,对传感器信号的温度误差进行补偿对多个传感器,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结二极管等原理框图如图1

2 建立温度误差的数学模型

温度变化给传感器实际丈量带来误差,表现在传感器的输入输出特性曲线上产生非线性变化为解决这样问题,必须使问题简单化,找出它们间的关系,建立对应的数学模型传感器特性曲线y=f(x),如图2所示

我们可以把该曲线按一定要求分成若干段,在此设分成n段,然后把相邻两段点之间的曲线用直线近似,这样可以利用线性方法求出输入值x所对应的输出值,这就是线性插值法设输入值在(xi, xi+1)之间,则其对应的输出值y可由下式求得:

从上式可知,只要n获得足够大就可获得良好的精度

若传感器的输入和输出之间的特性曲线的斜率变化很大,采用线性插值法,误差就很大,这时可采用二次曲线插值法,即通过曲线上3个点A(x0、y0),B(x1、y1),C(x2、y2)做1抛物线,用此曲线代替原来的曲线,如图3所示曲线方程为一元二次方程,一般情势为:

y=K0+K1x+K2x2

式中K0,K1,K2为待定系数,可用曲线y=f(x)的3个点A,B,C的二元一次方程组求解,这就需要解联立方程组,计算较复杂,列出的程序也较复杂,因此可以用另外一种型式:

由此可见,利用3个已知点A,B,C的数值求出系数m0,m1,m2后,寄存在相应的内存单元,然后根据某点的x值代入式(1)便可求出被测值y

以上是对传感器建立温度误差的数学模型,用此模型可实现传感器温度补偿

3 实现温度误差补偿的方法

首先给定K个温度值(T0,T1,T2,,TK-1),测出每个温度点上传感器静态特性曲线在u 轴上的截距(u0,u1,,uK),每一个温度点上传感器特性曲线的数据要精确,必要时应在恒温箱内进行,这需要较大的工作量,如图4所示

图中y为被测物理量,u为输出电压,利用最小二乘法曲线拟合求出截距u的多项式:

将b0,b1,b2,,bK和计算上式的子程序送入内存,温度值T0,T1,,TK-1和传感器对应的输出电压值u0,u1,, uK-1按顺序分配方式存入内存,构成一个线性表,采集数据时,CPU按线性查找对应温度的电压值u,并按下式计算对应的被测物理量y:

y =(u-U) tg

式中U是温度直线在坐标上的截距,可用线性插值由输入的T求得

,是温度直线与纵坐标轴u的夹角按图5流程编制补偿程序,并作为子程序与监控程序一并使用,以便收集数据时按流程图自动温度补偿

对温度特性曲线斜率变化大的传感器,一般采用分段线性插值法,在不同温度T(i=1,2,,K)下测出下列数值:

式中: yij温度TI时第j次输入传感器的被测物理量;

uij温度TI时第j次测得的传感器输出电压

用拟合法求出各温度上的传感器静态输出输出特性的拟合多项式:

将b0,b1,b2,,bk和以上多项式的计算程序写入内存,数据收集过程按图6流程图进行温度补偿,即由输入T和u查找和计算y值,采用的分段线性插值方法,只要K足够大,其误差就足够小

4 结语

用单片机的软件实现传感器温度误差补偿,是一种简便、有效的方法它可以大大提高传感器的丈量精度,降低丈量系统电路的复杂程度,提高可靠性,降低成本特别是如硅阻、应变片、电容式等传感器受温度影响大,使用该方法可以提高它们丈量精度目前单片机广泛使用在自动检测仪表中,使用该方法实现传感器温度误差补偿,是一条行之有效的途径

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