摘 要：溫度傳感器在一個(gè)個(gè)區(qū)段內(nèi)的特性基本上是線性的,。在使用一段時(shí)間以后,，容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移和線性改變，本文介紹了采用計(jì)算機(jī)技術(shù),，利用軟件的方法進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償和線性修正的原理,、方法，并給出了數(shù)學(xué)模型和實(shí)例,。該技術(shù)在以單片機(jī)為核心的智能儀表中可以廣泛的采用,。它能夠降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和使用、維護(hù)成本,。 
1,、 引言 
儀表的維護(hù)、調(diào)校需要專業(yè)的人員進(jìn)行,。尤其是在需要調(diào)整儀表內(nèi)部電位器的時(shí)候,。這項(xiàng)工作除了需要操作人員具備一定的專業(yè)知識(shí)外，還要使用的專業(yè)測(cè)試,、調(diào)整工具,。社會(huì)生產(chǎn),、生活逐漸進(jìn)入自動(dòng)化的時(shí)代，這些原始的工作也應(yīng)該隨著技術(shù)的發(fā)展逐漸被自動(dòng)化技術(shù)所代替,。 
2,、溫度傳感器的零點(diǎn)漂移和線性改變的原理 
以線性PN結(jié)溫度傳感器為例，畫出圖1的零點(diǎn)與線性改變示意圖,。 

設(shè)圖1是一個(gè)溫度--電勢(shì)特性曲線圖,，橫軸X為電勢(shì)值，縱軸Y為溫度值,。 
設(shè)直線①是理想的或者是出廠標(biāo)定好的溫度傳感器特性曲線,。其上A1、A2兩點(diǎn)的坐標(biāo)為（x1,y1）,、（x2,y2）,可以使用“兩點(diǎn)式”方法得到它的方程為： 

這是一個(gè)典型的直線方程,，其中k為直線①的斜率，c為x=0時(shí)直線①中y的偏移量,。 
設(shè)直線②是傳感器使用一段時(shí)間后,，直線①的偏移。 
同理,，直線②的方程同樣可以使用“兩點(diǎn)式”方法得到： 

這也是一個(gè)直線方程,，其中k’為直線②的斜率，c’為x=0時(shí)直線②中y的偏移量,。 
將⑵式和⑷式比較可知，直線①和直線②的區(qū)別就是斜率k和 k’,、偏移量 c和c’的區(qū)別,。這個(gè)區(qū)別直接的改變了和y的x對(duì)應(yīng)關(guān)系。 
直線⑴產(chǎn)生漂移后,，設(shè)斜率和偏移量分別漂移了Δk和Δc： 

這樣,，直線①就變成了直線②。 
我們把Δk稱為線性漂移,；把Δc稱零點(diǎn)漂移,。 
3、零點(diǎn)漂移和線性改變的誤差 
傳感器漂移后,，影響了測(cè)量結(jié)果的度,。根據(jù)漂移量可以計(jì)算出它的影響量。 
設(shè)原特性直線的偏移和斜率分別為c和k,，則特性方程為： 

在整個(gè)量程的不同點(diǎn)上,，這個(gè)誤差的值是不固定的，其zui大值通常在量程的兩端,。 
4,、漂移值的測(cè)定 
之所以出現(xiàn)漂移,，其根本原因在于：傳感器的信號(hào)輸出值與開始的標(biāo)定值出現(xiàn)了偏差，如果能確定當(dāng)時(shí)狀態(tài)下的結(jié)果,，也就是y的值,，那么測(cè)定的傳感器輸出值就是真實(shí)的x值。如果在量程內(nèi)的兩個(gè)點(diǎn)上（y1,y2）,，測(cè)出傳感器的對(duì)應(yīng)輸出（x1,x2）,，就又得到了新的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，利用這兩個(gè)坐標(biāo),，采用兩點(diǎn)式方程,，就會(huì)得到漂移以后的新的方程，這個(gè)方程是根據(jù)傳感器的新輸出而得出的正確的測(cè)量結(jié)果,。 
5,、解決零點(diǎn)漂移和線性改變的數(shù)學(xué)模型 
為切合實(shí)際，我們?yōu)閭鞲衅鞯妮敵鲋狄階/D轉(zhuǎn)換器表示方式,。也就是數(shù)字表達(dá)方式2,。 
設(shè)測(cè)量系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器滿量程為2n-1，n為A/D轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù),。 
設(shè)測(cè)量系統(tǒng)的量程為S,，測(cè)量范圍為：s1—s2，于是該系統(tǒng)的測(cè)量量程即為： 

A/D轉(zhuǎn)換器輸出值和測(cè)量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示： 

其中,，x為實(shí)測(cè)的傳感器輸出的A/D轉(zhuǎn)換器的值,。 
有了這個(gè)方程，對(duì)于任意x,，總能計(jì)算出測(cè)量結(jié)果y,。即形成符合方程⑻的（x，y）對(duì)應(yīng)的坐標(biāo),。 
在傳感器發(fā)生漂移后,，已知測(cè)量結(jié)果1，設(shè)為y1,，如果x出現(xiàn)了變化,，設(shè)為x+Δx=x1，我們就可以以（x1,，y1）為一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),，另以實(shí)測(cè)的（x2，y2）為另一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),，使用兩點(diǎn)式方程,，得到方程⑴，整理后得方程⑵。 
就會(huì)利用重新建立的方程得到正確的結(jié)果,。 
這個(gè)結(jié)果即是糾正了零點(diǎn)漂移和線性漂移以后的正確的結(jié)果,。 
6、解決零點(diǎn)漂移和線性改變的實(shí)例 
6.1,、測(cè)定零點(diǎn)漂移,，確定*組坐標(biāo)。 
將傳感器放入冰桶中,，理想狀態(tài)下或者出廠校正后,，應(yīng)該為0℃，即y1=0,，測(cè)得的傳感器輸出為x1,，這樣就得到了*組坐標(biāo)（x1,0）。 
6.2,、測(cè)量線性漂移,，確定第二組坐標(biāo)。 
將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)和傳感器放在同一位置,，這時(shí)水銀溫度計(jì)讀書和實(shí)測(cè)值可能會(huì)有一個(gè)偏差,，這時(shí)，傳感器輸出為x2,，可有方程⑵逆算得出： 

在這里,，k、c均為尚未校正時(shí)的方程參數(shù),。而y則為水銀計(jì)的讀數(shù),，記為y2。 
這是我們又得到了第二組坐標(biāo)（x2,y2）,。 
以上取得的兩個(gè)坐標(biāo),，是漂移后的傳感器輸出和實(shí)際測(cè)量值之間的關(guān)系，用兩點(diǎn)式方程獲得新的y和x之間的關(guān)系方程,，作為今后測(cè)量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。 
7,、使用VB6.0設(shè)計(jì)的校正軟件： 



8,、成本分析 
8.1、生產(chǎn)成本： 
該校正技術(shù)使用純軟件計(jì)算的方法,，和硬件無關(guān),。使用單片機(jī)或者計(jì)算機(jī)控制的智能儀器儀表，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)留有足夠的程序存儲(chǔ)空間,，因此該成本已經(jīng)包括到原來設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,，可以不計(jì)算在內(nèi)。*的成本就是軟件設(shè)計(jì)成本，該軟件可以用子程序的方式做成標(biāo)準(zhǔn)的模塊,，一旦設(shè)計(jì)完成,，也幾乎不存在生產(chǎn)成本。 
該類產(chǎn)品或系統(tǒng)如按照通常的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),，要在前置放大環(huán)節(jié)設(shè)置零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器,，而且必須是精密多圈電位器。采用自動(dòng)校正技術(shù)后,，可以省略掉電位器而直接用固定值的精密電阻代替,，單純從這個(gè)代換上計(jì)算，就一般的溫度巡檢系統(tǒng)而言會(huì)節(jié)約近6倍的材料成本,。 
8.2,、使用成本： 
儀器儀表維護(hù)時(shí)，要使用標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量,，然后調(diào)整被測(cè)儀器儀表的內(nèi)部電位器來校正漂移,。但是，有些傳感器的漂移量太大,，即使調(diào)整電位器也不能讓其達(dá)到規(guī)定的精度,，這時(shí)只有更換傳感器。有些傳感器的安裝位置和方式非常特殊,，更換起來耗時(shí)較多,，甚至還要停止正常的測(cè)量作業(yè)。采用自動(dòng)校正技術(shù),，可以延長這些傳感器的使用壽命3倍以上,，大大降低了使用成本。 
9,、結(jié)語 
對(duì)于壓力,、流量、物位等傳感器,，同樣存在著零點(diǎn)漂移和線性改變的問題,。該技術(shù)在與傳感器的特性分析配合后，稍作改變即可以應(yīng)用,。另外,，我們僅分析了線性系統(tǒng)的校正技術(shù)，對(duì)于非線性系統(tǒng),，同樣也可以用修改數(shù)學(xué)模型的方法來進(jìn)行漂移校正,。 
單片機(jī)技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)檢測(cè)與控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用，建議有必要把這個(gè)技術(shù)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)嵌入到這些微系統(tǒng)中,。 
在一些不便于頻繁更換傳感器的場(chǎng)合,，會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,。例如，在易燃易爆品倉庫,，可以避免很多危險(xiǎn)的發(fā)生,。 
這種校正仍然需要冰桶和水銀溫度計(jì)，今后是否可以考慮在有些儀器儀表內(nèi)部設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)源,，進(jìn)行無外界干預(yù)的,、全自動(dòng)的校正，需要進(jìn)行繼續(xù)的研究,、實(shí)踐,。 


作者簡(jiǎn)介 
劉賢鍇；男,；1963年12月生,；大學(xué)本科學(xué)歷，工程師（2004年改系列為副教授）,。1984年7月畢業(yè)于上海理工大學(xué)自動(dòng)化工程系計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)?，F(xiàn)為山東政法學(xué)院司法信息系副教授。曾主持國家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目：自動(dòng)化儀表75-53-02-26,。曾獲得原機(jī)械電子工業(yè)部的“科技青年”稱號(hào)?，F(xiàn)主要從事工業(yè)過程檢測(cè)與控制的教學(xué)與科研。