《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于曲線擬合的智能稱重傳感器自校正
2017年微型機(jī)與應(yīng)用第5期
張延響1,2,3,程學(xué)珍1,2,3,,楊吉語1,3,,李乾1,2,3
1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島 266590,;2.山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院,山東 青島 266590; 3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,,山東 青島 266590
摘要: 針對(duì)智能傳感器自校正的問題,構(gòu)建了基于IEEE1451智能傳感器校正引擎的校正模型,優(yōu)化了校正公式,,闡述了曲線擬合法的基本原理,。然后以應(yīng)變式稱重傳感器為實(shí)例,描述了其工作機(jī)理,,并分析誤差產(chǎn)生的原因,,以曲線擬合法為理論依據(jù),進(jìn)行非線性校正,。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出校正引擎多項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù),,將電壓量代入校正公式,進(jìn)行砝碼標(biāo)定值與校正輸出值之間的比較,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,利用校正引擎對(duì)稱重傳感器進(jìn)行校正,實(shí)現(xiàn)了稱重傳感器輸入與輸出之間的線性化關(guān)系,,改善了零點(diǎn)漂移的情況,。
關(guān)鍵詞: 校正引擎 非線性 曲線擬合
Abstract:
Key words :

  張延響1,2,3,程學(xué)珍1,2,3,,楊吉語1,3,,李乾1,2,3

  (1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島 266590,;2.山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院,,山東 青島 266590;3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,,山東 青島 266590)

  摘要:針對(duì)智能傳感器自校正的問題,,構(gòu)建了基于IEEE1451智能傳感器校正引擎的校正模型,優(yōu)化了校正公式,,闡述了曲線擬合法的基本原理,。然后以應(yīng)變式稱重傳感器為實(shí)例,描述了其工作機(jī)理,,并分析誤差產(chǎn)生的原因,,以曲線擬合法為理論依據(jù),進(jìn)行非線性校正,。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出校正引擎多項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù),,將電壓量代入校正公式,進(jìn)行砝碼標(biāo)定值與校正輸出值之間的比較,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,利用校正引擎對(duì)稱重傳感器進(jìn)行校正,實(shí)現(xiàn)了稱重傳感器輸入與輸出之間的線性化關(guān)系,,改善了零點(diǎn)漂移的情況,。

  關(guān)鍵詞:校正引擎,;非線性;稱重傳感器,;曲線擬合

  中圖分類號(hào):TP212.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.020

  引用格式:張延響,,程學(xué)珍,楊吉語,,等.基于曲線擬合的智能稱重傳感器自校正[J].微型機(jī)與應(yīng)用,,2017,36(5):65-68.

0引言

  *基金項(xiàng)目:山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016GSF117009)由于受到溫度、電源交叉敏感參量等問題的影響,,傳統(tǒng)傳感器普遍存在輸入輸出非線性的問題,,這些問題通過電路、材料及工藝改進(jìn)無法完全解決,,往往需要對(duì)傳感器進(jìn)行校正[1],。對(duì)傳感器非線性化的處理可采用硬件和軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?],硬件補(bǔ)償即用硬件電路進(jìn)行校正,,但存在電路復(fù)雜,、通用性差、成本高等缺點(diǎn),,不利于實(shí)際應(yīng)用,;軟件補(bǔ)償是將傳感器獲取的信息傳給計(jì)算機(jī),通過軟件算法對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自校正和實(shí)時(shí)補(bǔ)償,,來提高測(cè)量精度,。

  自校正是智能傳感器非常重要的功能特點(diǎn),智能傳感器集成了微處理器和通信模塊,,具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和通信能力[3],。基于IEEE1451協(xié)議[4]的智能傳感器,,將多個(gè)傳感器結(jié)合成一個(gè)傳感器單元進(jìn)行信號(hào)處理,、模數(shù)轉(zhuǎn)換等,,側(cè)重于簡(jiǎn)化傳感器連接到現(xiàn)有的控制和傳輸網(wǎng)絡(luò),。通過該標(biāo)準(zhǔn)特有的變換器電子數(shù)據(jù)表格(Transducer Electronic Data Sheet,TEDS)校正引擎可實(shí)現(xiàn)多傳感信息自校正,。雖然該協(xié)議給出了校正引擎的數(shù)學(xué)模型,,但沒有給出傳感器通道模型建立的方法,所以智能傳感器校正引擎的關(guān)鍵技術(shù)在于校正方法的研究,。校正方法的選擇需要考慮所需的TEDS存儲(chǔ)空間的大小,、校正算法所需浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù)、校正算法的準(zhǔn)確度等方面的因素,。

  本文以稱重傳感器為例,,根據(jù)IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建校正模型,,利用微處理器數(shù)據(jù)處理的優(yōu)越性,運(yùn)用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒椿谧钚《说那€擬合理論,,推導(dǎo)校正多項(xiàng)式,,搭建校正引擎,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變式稱重傳感器的非線性校正,。

1校正引擎模型

  1.1校正模型的構(gòu)建

  IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)定義了校正電子數(shù)據(jù)表格,,這個(gè)表格通常存儲(chǔ)于變換器接口模塊(Transducer Interface Module,TIM)中[5],,通過校正TEDS對(duì)傳感器通道進(jìn)行校正和補(bǔ)償,。智能傳感器實(shí)際工作時(shí),校正引擎先從TEDS讀取標(biāo)定數(shù)據(jù),,然后進(jìn)行校正計(jì)算,。執(zhí)行傳感器數(shù)據(jù)校正,要先確定測(cè)量值所在的分段區(qū)間,,在校正引擎中選擇特定校正方法,。

  IEEE1451智能傳感器數(shù)據(jù)校正模型圖如圖1所示,網(wǎng)絡(luò)適配器(Network Capable Application Processor,,NCAP)首先獲取校正TEDS,,然后通過校正引擎來實(shí)現(xiàn)傳感器校正[6],即從TEDS中讀入校正參數(shù)和傳感器的實(shí)際測(cè)量值,,并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的輸入物理量值[7],,從而體現(xiàn)傳感器智能化的特點(diǎn)。

  

Image 001.jpg

  1.2校正公式的優(yōu)化

  根據(jù)IEEE1451標(biāo)準(zhǔn),,TIM中每個(gè)通道的校正函數(shù)可以用下面的多項(xiàng)式函數(shù)表示:

  f(X1,X2,...,XN)=

  U1O2_K$6ST[PQN{SX57}$0W.png

  式中,,Xn表示從傳感器的輸出值;Hn,、D(K),、Ci,j,...p分別表示輸入變量的偏移值、階數(shù)和多項(xiàng)式的系數(shù)[8],,各個(gè)參數(shù)均存儲(chǔ)在電子數(shù)據(jù)表格中,。

  為了便于理解,校正公式可以寫成如下多項(xiàng)式形式:

  }DM7$TK@G(NSV6_}H$KQJ}L.png

  其中a,,b,,… ,n與系數(shù)項(xiàng)Ci,j,...p對(duì)應(yīng),,xi則對(duì)應(yīng)[X-H]中各項(xiàng),。IEEE1451智能傳感器標(biāo)準(zhǔn)TEDS的每個(gè)字段數(shù)據(jù)格式如表1所示。

Image 004.jpg

  若直接以式(2)形式進(jìn)行TEDS配置,,則需先對(duì)所有多項(xiàng)式系數(shù)a,,b,,...,n及修正系數(shù)等進(jìn)行定義,,為每個(gè)系數(shù)分配字段編號(hào),、字段名稱、數(shù)據(jù)類型,、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)內(nèi)容,。在多項(xiàng)式參數(shù)較多的情況下,過多同一類型的字段重復(fù)定義,,將占用較大的TEDS存儲(chǔ)空間,。若令:

  CJR9EZO}ZP3JY[9I)(EB}UN.png

  則式(2)可寫成如下矩陣函數(shù)形式:

  f(X1,X2,...,Xn)=AX1·BX2·…·NXp(3)

  這就是以分類矩陣的形式表示的校正公式。系數(shù)以矩陣形式進(jìn)行TEDS數(shù)據(jù)存儲(chǔ),,可以減少對(duì)系數(shù)的字段序號(hào),、字段名稱、數(shù)據(jù)類型,、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等重復(fù)定義,,節(jié)省了TEDS的存儲(chǔ)空間。校正引擎公式作為校正TEDS的重要組成部分,,必須嚴(yán)格按照表1格式進(jìn)行配置,。

  1.3校正方法

  基于顯式建模的校正方法容易與TEDS標(biāo)準(zhǔn)形式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一,TEDS校正引擎模型參數(shù)設(shè)置須與TEDS格式相適應(yīng),。曲線擬合法是一種顯式建模方法,,通常采用n次多項(xiàng)式來逼近非線性曲線,多項(xiàng)式方程的各個(gè)系數(shù)由最小二乘法確定,。曲線擬合法的特點(diǎn)是計(jì)算實(shí)時(shí)性好,、技術(shù)成熟,能夠獲得較好的校正函數(shù),。

  假定非線性曲線擬合多項(xiàng)式方程xi(ui)=a0+a1ui+a2u2i+...+anuni,,式中xi為標(biāo)定數(shù)據(jù)輸入,ui為輸出,,n由所要求的準(zhǔn)確度來確定,,a0,a1,,… ,,an為待定常數(shù),。根據(jù)最小二乘法的原則,,即通過選取基函數(shù)求得擬合函數(shù)f(u),在點(diǎn)ui處函數(shù)值f(ui)逐漸逼近觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)xi,,使二者差的平方和達(dá)到最?。?],,并將誤差平方和最小的問題轉(zhuǎn)化為求極值的問題,從而獲得待定系數(shù)a0,,a1,,…,an,。

2智能稱重傳感器自校正

  2.1應(yīng)變式稱重傳感器工作機(jī)理

  應(yīng)變式稱重傳感器主要由懸梁臂,、電阻應(yīng)變片及電橋電路構(gòu)成。電阻應(yīng)變片是一種傳感元件,,能將試件的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻值的變化,。將電阻應(yīng)變片粘貼在元件特定表面上,當(dāng)被測(cè)對(duì)象受力變形時(shí),,應(yīng)變片也隨同變形,,進(jìn)而引起應(yīng)變片電阻的變化,電阻的變化經(jīng)電橋作用后輸出電壓信號(hào)[10],。應(yīng)變式稱重傳感器測(cè)量電路如圖2所示,,該測(cè)量電路由惠斯登全橋和差分放大電路組成,R4,、R5起到電橋調(diào)零的作用,,使用AD620作為儀表放大器進(jìn)行差分放大。

  

Image 002.jpg

  2.2誤差分析

  實(shí)際測(cè)量使用時(shí),,應(yīng)變式稱重傳感器的輸入與輸出之間存在非線性誤差,,其原因主要是:受自身材質(zhì)的限制,工藝及技術(shù)的影響,,傳感器的非線性因素?zé)o法完全消除,;在外界溫濕度、空氣擾動(dòng)等影響作用下,,傳感器的零點(diǎn)會(huì)發(fā)生漂移及靈敏度會(huì)產(chǎn)生變化,;雖然采用差動(dòng)電橋可以消除一部分非線性誤差的影響,但實(shí)際橋臂上電阻的初始值不可能完全對(duì)稱,,因此由同一干擾量引起的阻值改變量均不可能完全相同,,導(dǎo)致誤差不能夠相互抵消[11];稱重傳感器輸出的信號(hào)為差模小信號(hào),,其含有較大的共模部分,,當(dāng)差分放大電路對(duì)共模信號(hào)抑制能力較弱時(shí),共模干擾經(jīng)過放大電路的放大就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,。

  因此,,要提高稱重傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度,需要對(duì)其進(jìn)行非線性校正即通過校正引擎來實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的線性化,。

  2.3非線性校正

  非線性校正源于非線性補(bǔ)償,,傳感器的輸入與輸出之間呈非線性關(guān)系,,通過串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。該補(bǔ)償環(huán)節(jié)是根據(jù)曲線擬合法的基本原理,,利用最小二乘法的原則,,求出符合傳感器精度要求的校正引擎多項(xiàng)式,使傳感器輸入-輸出之間呈線性關(guān)系[12],。

  智能傳感器具有通過校正引擎對(duì)前端傳感器進(jìn)行非線性的自動(dòng)校正功能,。它的突出優(yōu)點(diǎn)在于不受限于前端傳感器及其調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換的輸入-輸出特性的非線性程度,僅要求傳感器及其調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入-輸出特性重復(fù)性好,。

  

Image 005.jpg

Image 003.jpg

  智能稱重傳感器校正原理圖如圖3所示,,X為輸入的被測(cè)重量,V為傳感器輸出的電壓量,。輸入量X與傳感器輸出量V之間的關(guān)系可由n階多項(xiàng)式表示:

  X=a0+a1V+a2V2+...+anVn+β(4)

  其中,,β為高階無窮小,a0~an為常系數(shù),。

  根據(jù)實(shí)際需要令n=3,,則式(4)可變?yōu)?

  X=a0+a1V+a2V2+a3V3(5)

  下面的過程就是曲線擬合的過程,即需要求出a0~a3的值,。曲線擬合多項(xiàng)式(5)計(jì)算得到Xi與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定值Xi之間的誤差,,設(shè)為Δi,則誤差平方和為:

  Y$Y[_LD0YW%6IG`B]B_Z66T.png

  其中i=1,,2,,… ,n,,n為標(biāo)定點(diǎn)的個(gè)數(shù),,使誤差平方和取最小值的問題可轉(zhuǎn)化為多元函數(shù):

  {O{B9[VT(3@ZR6~PEZ3B[5E.png

  求極值的問題。誤差平方和F是系數(shù)a0~a3的函數(shù),,根據(jù)多元函數(shù)求極值的條件,,將F(a0,a1,a2,a3)分別對(duì)a0~a3求偏導(dǎo),并令各偏導(dǎo)數(shù)為零,,即:

  KP89{{OSX]2C]AE$20PH`IE.png

  可得關(guān)于系數(shù)a0~a3的線性方程組:

  [{MYO_HJM{%J2DBI~G2F$%J.png

  通過實(shí)驗(yàn)得到標(biāo)定值Xi以及對(duì)應(yīng)的輸出電壓Vi,,進(jìn)而求解該矩陣,可得待定系數(shù)a0~a3,,代入式(5)中即可得校正引擎多項(xiàng)式,。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

  按照?qǐng)D2所示電路原理圖進(jìn)行電路設(shè)計(jì),獲取該稱重實(shí)驗(yàn)的重量值Xi和輸出電壓值Vi,。先進(jìn)行調(diào)零,,然后在傳感器托盤上依次放上固定質(zhì)量的砝碼,同時(shí)通過測(cè)量得到傳感器的輸出電壓,結(jié)果如表2所示,。


  由表2中的數(shù)據(jù),,計(jì)算式(9)中相關(guān)量的值如下:n=20,,A1=3.849×103,,A2=1.013×106,A3=2.998×108,,A4=9.462×1010,,A5=3.111×1013,A6=1.052×1016,,P=3.8×103,,Q=1.0×106,R=2.961×108,,S=9.345×1010,。

  將其代入式(9)中,求出系數(shù)a0~a3,,其值為:a0=-0.327,,a1=0.991,a2=-9.486×10-6,,a3=-5.464×10-9,。從而求得稱重傳感器非線性校正的表達(dá)式:

  X=-0.327+0.991V-9.486×10-6V2+5.464×10-9V3(10)

  式(10)為該智能稱重傳感器的校正引擎多項(xiàng)式,將表2中輸出電壓值Vi代入該式中,,可得經(jīng)非線性校正后的輸出值,,如表3所示。由表3可知,,稱重傳感器經(jīng)過TEDS校正引擎校正之后,,零點(diǎn)漂移為0.17,滿量程時(shí)相對(duì)誤差為0.026%,。如果測(cè)量中需要更高的精度,,則提高曲線擬合多項(xiàng)式階次的值即可,但需要注意的是,,階數(shù)的增高將使計(jì)算繁冗,,運(yùn)算時(shí)間也迅速增加。

Image 006.jpg

  校正后砝碼標(biāo)定值與校正輸出值之間的關(guān)系如圖4所示,,從圖中可以看出所有的點(diǎn)幾乎在一條直線上,,即輸入與輸出保持近似的線性關(guān)系,說明經(jīng)過TEDS校正引擎的校正功能,,保證了該稱重傳感器輸出的線性化,,同時(shí)改善了零點(diǎn)漂移的情況。

 

Image 007.jpg

  4結(jié)論

  本文將標(biāo)準(zhǔn)校正引擎公式優(yōu)化成矩陣多項(xiàng)式的形式,減少了TEDS對(duì)校正公式系數(shù)類型格式的重復(fù)定義,,節(jié)省了TEDS存儲(chǔ)空間,。針對(duì)應(yīng)變式稱重傳感器,結(jié)合曲線擬合的理論,,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),,得到了符合IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)的校正引擎多項(xiàng)式,使零點(diǎn)偏差由0.5減小到了0.17,,滿量程時(shí)的相對(duì)誤差達(dá)到了0.026%,,實(shí)現(xiàn)了稱重傳感器的非線性補(bǔ)償,有效地提高了智能稱重傳感器的測(cè)量精度,。

 參考文獻(xiàn)

 ?。?] 王建武,馮正和. 全相位相位差測(cè)量中的系統(tǒng)誤差及校正[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),,2014,,36(9):1707-1711.

  [2] LIU J, XIE X J, HAN H J, et al. Research on the PWSM servo system position on sensor correction[C]. 2012 7th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2012: 1324-1327.

 ?。?] 王睿智,,史庭訓(xùn),焦文品. 一種基于元組空間的智能傳感器協(xié)同感知機(jī)制[J]. 軟件學(xué)報(bào),,2015,,26(4):790-801.

  [4] KUMAR A, SRIVASTAVA V, SINGH M K, et al. Current status of the IEEE 1451 standardbased sensor applications[J]. IEEE Sensors Journal, 2015, 15(5): 2505-2513.

 ?。?] KUMAR A, KIM M, HANCKE G P. Environmental monitoring systems: a review[J]. IEEE Sensors Journal, 2013, 13(4): 1329-1339.

 ?。?] 吳忠杰,林君,,李冶. IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)智能傳感器中網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器的實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng),,2006,25(6):85-88.

 ?。?] 陳向群,,朱偉,楊瑞多. 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器通用開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),,2004,,25(1):34-38.

  [8] 黃國健,,劉桂雄,,洪曉斌,等. IEEE1451網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的通用建模方法及應(yīng)用[J]. 光學(xué)精密工程,,2010,,18(8):1914-1921.

 ?。?] 陳國棟,劉宏,,王江濤. 基于曲線擬合的PEBB單元散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),,2016,31(4):71-77.

 ?。?0] 胡玉梅,,張方建,邵毅敏,,等. 應(yīng)變片敏感柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào),,2013,,36(12):21-27.

 ?。?1] 景婧. 應(yīng)變式稱重傳感器的非線性校正[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2013,,30(1):189-191.

 ?。?2] 郭偉,張棟,,李巨韜,,等. 改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電容稱重傳感器的非線性校正[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,,25(10):1354-1360.


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