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传感器温度性能补偿及信号滤波方法


    

感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器获取信号受温度和环境干扰影响,输出信号会产生温度漂移或夹杂着噪声及各种干扰信号。为了准确获被检测对象的定量信息,必须对传感器的信号进行处理。一般通过补偿、滤波和噪声抑制等方法来提高传感器的温度稳定性、信噪比和改善分辨率。

传感器的温度漂移和干扰信号可通过硬件补偿滤波或软件算法实现。

温度漂移补偿

   温度漂移的原因很多,任何元件参数的变化,都将造成输出电压漂移。实践证明,温度是产生漂移的主要原因,弹性元件和电阻应变计的敏感栅材料温度系数,线胀系数不同,组桥引线长度不一致等综合因素,都会导致传感器的初始零点和输出灵敏度发生温度漂移。

传感器的温度漂移补偿分为硬件补偿和软件补偿。

1、硬件补偿

 

对电阻应变式传感器而言,方法有在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法,桥臂热敏电阻补偿法,桥外串、并联热敏电阻补偿法,双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。最常用的是在桥臂中串联温度系数较大的热敏电阻对温度零点漂移进行补偿,在电源回路中串联热敏电阻对温度灵敏度漂移进行补偿。如下图所示:图1
   图1中,R1~R4为电阻应变计,粘贴于弹性元件的敏感区;Rt1、Rt2为温度零点漂移补偿元件,可选用我公司的RNF2-AT型温度零点漂移补偿应变计;Rz1、Rz2为零点平衡补偿元件,可选用我公司的RCF8-AZ型零点平衡补偿应变计;Rt3、Rt4为温度灵敏度漂移补偿元件,可选用我公司的RNF**-CZ型温度灵敏度漂移补偿应变计。

桥臂中串联Rt1、Rt2、Rt3、Rt4为热敏电阻,其温度系数远大于电阻应变计的温度系数。当温度发生变化时,热敏电阻的电阻值随温度变化而变化,通过调整热敏电阻的初始阻值大小改变温度条件下其电阻变化量,从而改变桥臂电阻平衡和改变供桥电压大小,抵消因温度引起的信号漂移,实现温度补偿目的。

补偿时,分别在高低温环境下记录下传感器的初始零点和输出灵敏度数据。根据高低温下的初始零点差值大小,通过摩擦或切割方式改变对应正负方向的温度零点漂移补偿元件的初始电阻值,对零点温度漂移进行补偿。根据高低温环境下输出灵敏度差值大小,选择对应电阻的温度补偿元件(可通过切割或摩擦方式对补偿元件的电阻进行微调),对传感器的输出灵敏度漂移进行补偿。补偿完成后,应再次升降温进行复查,直至性能指标满足要求为止。

2、软件补偿

利用单片机速度快的特点,增加温度传感器,实时采集传感器的工作温度。并根据传感器在一定温度范围内,零点漂移和灵敏度的变化量,计算出温度变化、传感器实时数据与温度变化与零点、灵敏度的漂移量公式,实时进行补偿运算。

信号滤波

传感器的输出信号中往往含有动态噪声,如果信号的频谱和噪声频谱不重合,则可用滤波器消除噪声。滤波器按信号类型可以分为模拟滤波器和数字滤波器。

模拟滤波器,主要通过在传感器测量电路中增加滤波元件实现。如在传感器的供电电源上加装电容,电感来滤波,以增强电源输出的稳定性,减少电源中噪声;在信号输出端加转RC或LC滤波网络,滤除信号中的噪声。
    数字滤波器,实质上是一种程序滤波,主要有算数平均滤波。其原理是,在传感器的采集程序中,对信号连续进行n次采样,然后求得n次采样的平均值,作为传感器的有效值输出。其中采样次数n越大,滤波效果越好,但灵敏度越低,所以在实际使用中,根据传感器自身的稳定性,设置不同的n值,以获得最佳效果。

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