眾所周知，傳感器獲取現(xiàn)場信號的準確與否，直接影響到整個工業(yè)自動化系統(tǒng)的測量與控制精度。為了獲取真實的現(xiàn)場信息，要對計算機系統(tǒng)接入模擬傳感器輸出的模擬量電信號進行不失真的變換。

　　文中提出了一種針對力和位移傳感器的輸入標定技術(shù)，并根據(jù)理想傳感器靈敏度計算了硬件增益和通道增益，同時以軟件方式進行了修正。通過工程實際驗證，這種方法標定結(jié)果準確，便于操作，具有工程推廣價值。

　　0　引言

　　在工業(yè)自動化生產(chǎn)、自動控制系統(tǒng)、非電量電測系統(tǒng)中，廣泛使用了種類繁多的傳感器，在測量和控制過程中起著重要作用。傳感器獲取現(xiàn)場物理信號的正確與否，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的測量精度。

　　1　傳感器輸入通道

　　本文只針對模擬傳感器即輸出模擬量電信號進行討論，并不涉及有關(guān)數(shù)字傳感器。通常，計算機系統(tǒng)一般對傳感器的接入如圖1所示。

　　圖1 傳感器輸入通道

　　這里以力傳感器(多為mV級信號)為例，首先，經(jīng)多路采樣開關(guān)采樣，進入放大器進行直流放大，最后放大的信號被送入ADC(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，期間對快速瞬變的信號還須經(jīng)采樣保持處理。ADC將放大后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入計算機系統(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)過標度變換(工程量變換)，將它轉(zhuǎn)換成原來參數(shù)的真實值，以便進行顯示、計算和處理。

　　要保證計算機系統(tǒng)能獲取到現(xiàn)場真實被檢測信息，保證系統(tǒng)的準確度，有必要采取不失真的變換方法來獲取現(xiàn)場真實信息，對傳感器輸入通道的各個環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一的標定。

　　2　輸入標定思想

　　一般情況下，位移輸入沒有類似力反饋的內(nèi)部硬件增益。

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

　　圖2 位移傳感器輸入標定模塊圖

　　圖3所示是力、位移傳感器輸入標定比較圖。

　　圖3 位移傳感器輸入標定比較圖

　　首先來研究力傳感器的輸入。與計算機系統(tǒng)連接的力傳感器，是一個連接有激勵電壓的惠斯通電橋，它能夠輸出以mV為單位的反饋信號[3].這個信號的強弱與激勵電壓有關(guān)，如激勵電壓采用10 V，要由非常精確的線性電源提供(內(nèi)部或獨立的外置電源)，力傳感器最終的輸出信號與在力傳感器上施加的外部力成比例，這個mV級信號即計算機系統(tǒng)測量的力信號。

　　其次是確定已選力傳感器靈敏度。力傳感器靈敏度是由計量部門使用標準測力機檢定得出的，并在力傳感器檢定證書中標明。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mV級信號需要通過硬件增益來放大，以使信號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單的，如表1所列。

　　對于具有確定靈敏度系數(shù)的力傳感器來講，放大后的信號電壓范圍可采用如下公式進行計算：

　　放大后的信號電壓=激勵電壓值×力傳感器靈敏度×放大系數(shù)

　　每一級放大系數(shù)都有一個對應(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靈敏度。例如，對于硬件增益500倍來說，對應(yīng)的力傳感器的理想靈敏度為2 mV/V.
任何超過2 mV/V的信號都將導(dǎo)致總放大后的信號超過10 V和A/D轉(zhuǎn)換器輸入的飽和。這將被視為信號截斷，從而無法達到全量程測量�？梢钥吹讲捎梅糯笙禂�(shù)500時最接近10 V，表明沒有信號被截斷，因此它就是我們需要的最理想的放大系數(shù)。下面通過幾個方面來進行說明。

　　2.1 A/D轉(zhuǎn)換器

　　傳感器信號經(jīng)過調(diào)理即放大后，就要被送入到ADC進行轉(zhuǎn)換。由于放大器和ADC本身有微小的誤差，通常有必要對數(shù)字輸出信號進行修正以便獲得一個更精確的信號。這通過輸入通道標定增益(Calibration Gain)和零偏(CalibrationOffset)來實現(xiàn)。

　　2.2力傳感器修正

　　反饋信號隨后通過一個以10級20行表格形式構(gòu)成的軟件放大器做進一步的修正。這個表格的目的是用來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)，因此通常采用一個傳感器標定增益和零偏就足夠了。

　　2.3力傳感器標定零偏

　　對于具有特定靈敏度的力傳感器，以下的例子計算結(jié)果都少于10 V，這表明沒有信號截斷。例如：

　　10×1.934 mV/V×500 = 9.670 V10×2.321 mV/V×250 = 5.800 V然而，±10 V的整個測量范圍卻沒有達到。為了使反饋信號放大到滿量程的最大、最小力，就要使用力傳感器標定增益(10級表格)。

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

　　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，測量信號中將會看到零偏。利用10級表格零偏列參數(shù)輸入可消除這個偏移，以全量程的百分比值輸入后的力傳感器標定零偏如表5所列。

　　自此，軟件中的讀數(shù)將以滿量程的百分比形式準確地顯示，或以工程值準確顯示。(未完待續(xù))

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