專利名稱：：智能力傳感器測量非線性溫度漂移的溫度補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本
發(fā)明內(nèi)容屬于電子感測衡器輸出變量誤差補償
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種可保證電阻應(yīng)變式智能力傳感器測量輸出不受溫度影響的溫度補償方法。
背景技術(shù)：
：傳感器技術(shù)迄今已廣泛應(yīng)用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，大量科學(xué)研究和生產(chǎn)過程獲取的數(shù)據(jù)信息都通過其采集并轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號最終得到的。對高精度傳感器如電阻應(yīng)變式智能力傳感器等而言，溫度誤差給實際測量帶來的影響已成為提高其性能的嚴重障礙，特別是在環(huán)境溫度變化較大的應(yīng)用場合更是如此。由于智能力傳感器的力_電學(xué)性能與彈性體的彈性模量具有緊密的相關(guān)性，而彈性體的彈性模量受溫度的影響較大，因此力傳感器的輸出信號也隨溫度的變化而變化。但是，基于測量的需要，要求力傳感器其輸出信號只與加載到傳感器上的力成正比，而不應(yīng)受到溫度變化的影響，因此就需要一種溫度補償方法，在傳感器量程內(nèi)，能將由于溫度變化造成的測量信號的變化進行調(diào)整，使輸出信號只與加載載荷相關(guān)，從而保證測量的真實性與準確性。目前本領(lǐng)域公知的用于對智能力傳感器進行溫度補償方法有模擬式和數(shù)字式兩種途徑。常見的模擬式補償方法有并聯(lián)式溫度補償和零點溫度補償法兩種。并聯(lián)式溫度補償法從理論上可實現(xiàn)完全補償，但實際上卻只能是近似補償，因為其特性曲線的溫度補償只能做到兩點或三點是全補償，而其它點不是"過補償"就是"欠補償"。零點溫度補償法雖然可實現(xiàn)傳感器零點輸出的高精度溫度補償，但對彈性體彈性模量的溫度非線性卻沒有任何貢獻，因此，力傳感器受力時其輸出仍將受溫度變化的影響。數(shù)字式溫度補償方法首先要測出傳感點的溫度，將該溫度信號作為多路采樣開關(guān)采集信號的一路送入單片機，測溫元件通常是安裝在傳感器內(nèi)靠近敏感元件的地方，用來測量傳感點的環(huán)境溫度，測溫元件的輸出經(jīng)放大及A/D轉(zhuǎn)換送到單片機，單片機通過串行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)，等信號采樣結(jié)束后，單片機運行溫度誤差補償程序，從而補償傳感器信號的溫度誤差。對于多個傳感器，可用多個測溫元件，常用的測溫元件有半導(dǎo)體熱敏電阻、AD950測溫管、PN結(jié)二極管等。已有的數(shù)字式補償辦法采用最小二乘法對溫度、載荷、信號輸出的三維曲線進行擬合，為了提高補償精度，通常在運算中需要進行高次運算，而相對于嵌入式單片機而言，進行高次運算需要靠犧牲時間來換取，同時在程序算法編制上復(fù)雜程度也較高，從而也帶來了可靠性的風(fēng)險。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，提供一種設(shè)計形式合理、計算速度快、測量真實性與準確性高且更加適合于嵌入式單片機的程序?qū)崿F(xiàn)的智能力傳感器測量非線性溫度漂移的溫度補償方法。為達到上述發(fā)明目的而設(shè)計的智能力傳感器測量非線性溫度漂移的溫度補償方法是一種在力傳感器數(shù)字化的基礎(chǔ)上，采用多溫區(qū)標定并使用復(fù)合查表法進行快速非線性溫度數(shù)字補償計算，進而實現(xiàn)力傳感器非線性溫度補償?shù)姆椒?，它包括下述步驟1、將被標定的智能力傳感器的工作溫度在-20°C60°C范圍分為-2o。c-i(Tc、-i(rc(rc、(rcio°c、io°c2o°c、2(rc3(rc、3(rc4(rc、4(rc5(TC和50°C6(TC共八個溫區(qū)；2、利用復(fù)合加載標定裝置調(diào)節(jié)被標定傳感器的環(huán)境溫度，使其分別達到前述八個溫區(qū)中的一個溫度點，共八個溫度點，分別記為VT2、T3、T4、T5、T6、T7、T8;3、在每個溫度點上保溫至少1小時后，采用5段6點標定法對各溫度點進行傳感器載荷標定，即在溫度點為Tn時(n=1、2、3、4、5、6、7、8)，標定數(shù)據(jù)包括工作環(huán)境溫度Tn的溫度內(nèi)碼值DTn、該溫度點之零點載荷Fn。的載荷內(nèi)碼值DnFn。、該溫度點之1/5載荷Fr^的載荷內(nèi)碼值DnFni、該溫度點之2/5載荷Fn2的載荷內(nèi)碼值DnFn2、該溫度點之3/5載荷Fn3的載荷內(nèi)碼值DnFrv該溫度點之4/5載荷Fn4的載荷內(nèi)碼值DnFn4以及該溫度點之滿載荷Fn5的載荷內(nèi)碼值DnFn5，將八個溫度點逐一標定完成后，將獲得八組標定數(shù)據(jù)和標定時的各溫度內(nèi)碼值進行列表記錄，并將數(shù)據(jù)表按次序存入智能力傳感器的數(shù)據(jù)存儲器中進行存儲；4、在傳感器實際測量使用中由CPU獲得傳感器當前的環(huán)境溫度值Tm和該溫度點的載荷信號內(nèi)碼值DFm，首先將Tm值同Tn進行比較，選出大于Tm的最接近的一個標定溫度值Tn作為標定數(shù)據(jù)組，再將該溫度點的載荷信號內(nèi)碼值DFm與該標定數(shù)據(jù)組的標定載荷內(nèi)碼值進行比較，選出DFm兩端最接近的兩個載荷內(nèi)碼值DnFnx和DnFn(x+l)作為標定載荷數(shù)據(jù)組(x=0、1、2、3、4、5)，按照下列的標準化計算式進行計算F=DFmXF^+Fn(x-i)最終獲得測量的載荷值F并輸出。在上述發(fā)明步驟中，利用復(fù)合加載標定裝置調(diào)節(jié)被標定傳感器的環(huán)境溫度，使其分別達到的八個溫度點VT2、T3、T4、T5、T6、T7和T8的數(shù)值依次為_15°C、_5°C、5°C、15°C、25。C、35。C、45。C和55°C。本發(fā)明所述補償方法建立的依據(jù)原理如下所述。電阻應(yīng)變式智能力傳感器的溫度重復(fù)性很高。雖然載荷器的輸出信號會隨著環(huán)境溫度的變化而變化(在載荷恒定的情況下)，但是信號的變化量同溫度的變化為單調(diào)函數(shù)關(guān)系，即，在載荷恒定的情況下，溫度的變化量同傳感器載荷信號輸出的變化量是唯一對應(yīng)關(guān)系。因此可以使用復(fù)合標定系統(tǒng)(可以改變施加給力傳感器的標準載荷量和力傳感器的環(huán)境溫度的裝置)實現(xiàn)溫度、載荷、信號輸出三者的多維擬合一元函數(shù)關(guān)系。參見圖l所示的載荷、信號與溫度曲線圖在不同的溫度環(huán)境下(Tl、T2、T3、T4)，載荷與輸出信號之間的函數(shù)關(guān)系有細微的變化，這是因為電阻應(yīng)變片附著的彈性體的彈性模量受溫度的影響造成的，且這一變化無法采用物理的方法加以改變，只能選擇特定的彈性材料加以改善而已。但是，值得注意的是，在每一個溫度點上，載荷與信號輸出成正比，且具有很好的溫度復(fù)現(xiàn)性，因此可以采取將環(huán)境溫度分區(qū)(即將全溫度范圍進行了分段處理)，在每一個溫度區(qū)內(nèi)對載荷與輸出曲線信號進行線段擬合的辦法實現(xiàn)全溫區(qū)信號非線性補償。具體的擬合方法如圖2所示。4圖2為一個固定環(huán)境溫度下的載荷——信號擬合圖，即應(yīng)變式智能力傳感器的載荷/信號曲線線段擬合圖。圖中曲線S為實際的載荷——信號關(guān)系曲線，采用端點法直線擬合可獲得擬合直線L，由此產(chǎn)生的測量誤差可以在圖中看出，最大誤差記為H1。如果采用線段差值擬合，則可以由Ll、L2、L3、L4、L5共同組成擬合曲線，可以看出，采用該方法獲得的擬合圖形更加逼近實際的信號曲線S，產(chǎn)生的最大誤差也可由H2來標記。不難看出，Hl>>112，因此，可以得出采用線段差值進行單調(diào)曲線擬合的方法所產(chǎn)生的測量誤差遠比端點法產(chǎn)生的誤差小得多的結(jié)論。而且在擬合圖形上，對于任一點的載荷F，有且只有一個輸出信號D與之對應(yīng)，且成線性關(guān)系D=KF+C(K，C均為常數(shù))，反之，也可以得到F=kD+c的函數(shù)式(k，c也為常數(shù))，即當測量到一個信號D時，必定有且只有一個載荷F與之對應(yīng)。由此實現(xiàn)了在一個固定環(huán)境溫度下的信號擬合與測量。將上述方法推廣到每一個劃定的溫度區(qū)域內(nèi)進行載荷——信號曲線的顯端差值擬合，就可得到一組不同溫度條件下的載荷F與輸出信號D之間的擬合圖形，其函數(shù)表達式為Di=I^F+Q環(huán)境溫度為Tl時(KpQ為常數(shù))D2=K2F+C2環(huán)境溫度為T2時(K2，C2為常數(shù))........................D8=k8F+c8環(huán)境溫度為T8時(k8，c8為常數(shù))依據(jù)上述關(guān)系式，當我們進行測量時，首先獲得環(huán)境溫度的測量值，由此判斷選取對應(yīng)的環(huán)境溫度下的函數(shù)關(guān)系式，在依據(jù)測量到的信號計算出對應(yīng)的載荷值，即得到上述的標準化計算式F=DFmXF，+Fn(x-1)進而實現(xiàn)了高精度測量。為了驗證上述溫度補償方法的準確性，本發(fā)明設(shè)計者曾對濺射薄膜型和硅壓阻類型等應(yīng)變式智能力傳感器進行了標定和測試實驗，測試溫箱是程控溫箱，測試中補償前和補償后的測試均采用同一塊電路模塊。測試結(jié)果表明采用本發(fā)明方案對應(yīng)變式智能力傳感器進行溫度補償后，應(yīng)變式智能力傳感器的非線性技術(shù)指標在不同溫度環(huán)境中均有很大提高，能保證在所有溫度環(huán)境下，傳感器的非線性誤差都控制在與傳感器的重復(fù)性指標一致的水平上。圖1是應(yīng)變式智能力傳感器的載荷、信號與溫度曲線圖。D8=K8F+C8環(huán)境溫度為T8時(K8，C8為常數(shù))由此可獲得載荷與測量到的信號之間的函數(shù)關(guān)系為Di=kiF+Ci環(huán)境溫度為Tl時(、，Cl為常數(shù))D2=k2F+c2環(huán)境溫度為T2時(k2，c2為常數(shù))5圖2是應(yīng)變式智能力傳感器的載荷/信號曲線線段擬合圖。具體實施例方式本發(fā)明所述溫度補償方法的的實現(xiàn)步驟分為多溫區(qū)標定、標定數(shù)據(jù)表格化存儲、測量數(shù)據(jù)的查表法計算三部分。首先，在進行傳感器標定時，將傳感器的工作溫度范圍(一般為_20°C60°C)分為8個溫區(qū)，即-20°C-10°C、-10°C0°C、0°C10°C、10°C20°C、20°C30°C、30°C40°C、40°C50°C，50°C60°C。使用復(fù)合加載標定裝置調(diào)節(jié)被標定傳感器的環(huán)境溫度，使其分別達到-15°C、-5°C、5°C、15°C、25°C、35°C、45°C、55°C共8個溫度點，將其分別記為T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8，在每個溫度點上保溫至少1小時后進行傳感器載荷標定，并將標定數(shù)據(jù)和標定時的溫度內(nèi)碼值進行記錄。如，在溫度為1\時，采用5段6點標定法進行標定，標定數(shù)據(jù)為工作環(huán)境溫度1\、溫度內(nèi)碼值Dl\、1\溫度點的零點載荷零點載荷F1Q及載荷內(nèi)碼值D^。、1\溫度點的1/5載荷Fu及載荷內(nèi)碼值Dfn、1\溫度點的2/5載荷F12及載荷內(nèi)碼值Df『1\溫度點的3/5載荷F13及載荷內(nèi)碼值Df『1\溫度點的4/5載荷F14及載荷內(nèi)碼值Df『1\溫度點的滿載荷F15及載荷內(nèi)碼值Dfw。當我們將8個溫度點逐一標定完成后，可獲得8組標定數(shù)據(jù)，每個溫度點一組。標定數(shù)據(jù)記錄如下1\:(1\，DT》、(F10，D^o)、(Fn，D^》、(F12，D^》、(F13，D^》T2:(T2，DT2)、(F2。，D2F2。)、(F21，D2F21)、(F2，D2F22)、(F23，D2F23)D2F25);............T8:(T8，DT8)、(F8。，D8F8。)、(F81，D8F81)、(F82，D8F82)、(F83，D8F83)D8F85);然后將上述數(shù)據(jù)表按次序存入智能力傳感器的數(shù)據(jù)存儲器中進行存儲。存儲格式見下表序號名稱寄存器地址寄存器個數(shù)數(shù)據(jù)類型描述備注1第1溫區(qū)溫度內(nèi)碼值00201無符號16位整型2字節(jié)，高8位在前，低8位在后2第1溫區(qū)零點內(nèi)碼值00211無符號16位整型2字節(jié)，高8位在前，低8位在后3第1溫區(qū)零點載荷值00221無符號16位整型2字節(jié)，高8位在前，低8位在后、(F14，、(F:、(F24，D2F24)、(F:、(F84，D8F84)、(F;6<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>智能傳感器在實際測量使用中，傳感器的CPU將獲得傳感器當前的環(huán)境溫度Tm和載荷信號DFm的內(nèi)碼值，獲得這兩個數(shù)據(jù)后，CPU先將環(huán)境溫度Tm同1\、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8比較，以確定使用哪一組標定數(shù)據(jù)進行標準化計算，當確定了使用的標定數(shù)據(jù)組后，在將載荷內(nèi)碼值DFm與該標定數(shù)據(jù)組的標定載荷內(nèi)碼值進行比較，以確定使用哪一段標定數(shù)據(jù)段進行標準化計算，最終獲得測量的載荷值并輸出。實例如下如果Tm同VT2、T3、T4、T5、T6、T7、T8比較后，T2<Tm<T3，使用T3溫區(qū)的標定數(shù)據(jù)組；而DFm同T3溫區(qū)的標定數(shù)據(jù)組D3F3。、D3F31、D3F32、D3F33、D3F34、D3F35進行比較后，D3F34<DFm<D3F35，則測量得到的該智能傳感器的載荷值F為F=DFmX(F34-F33)/(D3F35-D3F34)+F33至此，即完成了載荷測量并實現(xiàn)了載荷的非線性溫度補償。由上述方法陳述可見，在補償運算中，只使用了簡單的加減乘除運算，因此，對于單片機而言，運算速度很快。權(quán)利要求一種智能力傳感器測量非線性溫度漂移的溫度補償方法，其特征在于包括下述步驟1.1將被標定的智能力傳感器的工作溫度在-20℃～60℃范圍分為-20℃～-10℃、-10℃～0℃、0℃～10℃、10℃～20℃、20℃～30℃、30℃～40℃、40℃～50℃和50℃～60℃共八個溫區(qū)；1.2利用復(fù)合加載標定裝置調(diào)節(jié)被標定傳感器的環(huán)境溫度，使其分別達到前述八個溫區(qū)中的一個溫度點，共八個溫度點，分別記為T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8；1.3在每個溫度點上保溫至少1小時后，采用5段6點標定法對各溫度點進行傳感器載荷標定，即在溫度點為Tn時(n＝1、2、3、4、5、6、7、8)，標定數(shù)據(jù)包括工作環(huán)境溫度Tn的溫度內(nèi)碼值DTn、該溫度點之零點載荷Fn0的載荷內(nèi)碼值DnFn0、該溫度點之1/5載荷Fn1的載荷內(nèi)碼值DnFn1、該溫度點之2/5載荷Fn2的載荷內(nèi)碼值DnFn2、該溫度點之3/5載荷Fn3的載荷內(nèi)碼值DnFn3、該溫度點之4/5載荷Fn4的載荷內(nèi)碼值DnFn4以及該溫度點之滿載荷Fn5的載荷內(nèi)碼值DnFn5，將八個溫度點逐一標定完成后，將獲得八組標定數(shù)據(jù)和標定時的各溫度內(nèi)碼值進行列表記錄，并將數(shù)據(jù)表按次序存入智能力傳感器的數(shù)據(jù)存儲器中進行存儲；1.4在傳感器實際測量使用中由CPU獲得傳感器當前的環(huán)境溫度值Tm和該溫度點的載荷信號內(nèi)碼值DFm，首先將Tm值同Tn進行比較，選出大于Tm的最接近的一個標定溫度值Tn作為標定數(shù)據(jù)組，再將該溫度點的載荷信號內(nèi)碼值DFm與該標定數(shù)據(jù)組的標定載荷內(nèi)碼值進行比較，選出DFm兩端最接近的兩個載荷內(nèi)碼值DnFnx和DnFn(x+1)作為標定載荷數(shù)據(jù)組(x＝0、1、2、3、4、5)，按照下列的標準化計算式進行計算<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>DFm</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mi>nx</mi></msub><mo>-</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>F</mi><mrow><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mi>D</mi><mi>n</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>nx</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>Fn</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>最終獲得測量的載荷值F并輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能力傳感器測量非線性溫度漂移的溫度補償方法，其特征是利用復(fù)合加載標定裝置調(diào)節(jié)被標定傳感器的環(huán)境溫度，使其分別達到的八個溫度點依次為-15°C、-5°C、5°C、15°C、25°C、35°C、45t^P55°C。全文摘要本發(fā)明涉及一種可保證電阻應(yīng)變式智能力傳感器測量輸出不受溫度影響的溫度補償方法，其步驟是將被標定傳感器的工作溫度分為八個溫區(qū)，利用復(fù)合加載標定裝置調(diào)節(jié)被標定傳感器的環(huán)境溫度，使其分別達到八個溫區(qū)中的一個溫度點，在各溫度點上采用5段6點標定法進行傳感器載荷標定，再將獲得八組標定數(shù)據(jù)和標定時的各溫度內(nèi)碼值進行列表記錄和數(shù)據(jù)表存儲；在傳感器實際測量中，首先將由CPU獲得傳感器當前的環(huán)境溫度值與數(shù)據(jù)表中同溫區(qū)數(shù)據(jù)組進行比較，選出標定數(shù)據(jù)組，再將當前溫度點的載荷信號內(nèi)碼值與該標定數(shù)據(jù)組的標定載荷內(nèi)碼值進行比較，選出兩個載荷內(nèi)碼值作為標定載荷數(shù)據(jù)組，按標準化計算式進行計算后，獲得測量的載荷值并輸出。文檔編號G01L25/00GK101706346SQ20091021894公開日2010年5月12日申請日期2009年11月13日優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日發(fā)明者袁玉華,許晨光,趙中兵申請人:中國航天科技集團公司第四研究院第四十四研究所