眾所周知，傳感器獲取現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的準(zhǔn)確與否，直接影響到整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)量與控制精度。為了獲取真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)信息，要對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接入模擬傳感器輸出的模擬量電信號(hào)進(jìn)行不失真的變換。

　　文中提出了一種針對(duì)力和位移傳感器的輸入標(biāo)定技術(shù)，并根據(jù)理想傳感器靈敏度計(jì)算了硬件增益和通道增益，同時(shí)以軟件方式進(jìn)行了修正。通過(guò)工程實(shí)際驗(yàn)證，這種方法標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確，便于操作，具有工程推廣價(jià)值。

　　0　引言

　　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。

　　圖1 傳感器輸入通道

　　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2 位移傳感器輸入標(biāo)定模塊圖

　　圖3所示是力、位移傳感器輸入標(biāo)定比較圖。

　　圖3 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)。

　　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)盡可能逼近滿量程的±10 V.用戶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性，采用多步分段式的方法。通常力傳感器的非線性區(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＠�如�?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)將以滿量程的百分比形式準(zhǔn)確地顯示，或以工程值準(zhǔn)確顯示。(未完待續(xù))

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