提高传感器线性度的方法与分析

2013 - 2014学年第2学期
题目：提高传感器线性度的方法与分析
专业：电气工化
班级： 1
姓名：
指导教师：江春红
成绩：
电气工程系
提高传感器线性度的方法与分析
摘要：本文介绍了传感器及其定义、特性、线性度等参数，探讨了提高传感器最重要的参数线性度的方法并进行了分析。

传感器的线性度参数对传感器的灵敏度有重要影响，研究传感器的线性度及其提高方法对系统应用来讲具有重要意义。

关键词：传感器；灵敏度；线性度；拟合
1引言
随着国内传感器检测技术的发展，各种传感器被广泛的的应用于社会生活的方方面面。

基于传感器技术的信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。

传感器作为各种信息（各种物理量、化学量、生物量等）感知、采集的功能器件，已经越来越广泛地应用到国民经济的各个领域，特别是在自动检测和自动控制领域，传感器更是必不可少的重要工具[1]。

传感器作为信息采集的首要部件，是实现自动测量和自动控制的主要环节，是现代自动测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头和重要组成部分。

因此，如何提高传感器测量技术的精确度，提高传感器功能器件的高稳定性和可靠性，是确保信息准确获取的可靠保证。

2 传感器线性度的定义和分类
传感器的线性度、重复性、回差（或称迟滞、迟后）及灵敏度是衡量传感器静态特性的最重要的几个指标。

本文从线性度方面展开讨论和分析。

传感器的线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提。

线性度又称非线性，表征传感器输出—输入校准曲线（或平均校准曲线）与所选定的作为工作直线的拟合直线之间的偏离程度。

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。

在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标，如图2-1所示。

拟合直线的选取有多种方法。

如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

在一些文献中，传感器的线性度是一致性的一种特殊形式，即当规定曲线为一条直线时，我们常常就把一致性称作为线性度。

为了与一致性术语相统一，故现在常常用线性度这一术语替代非线性这一术语（特别是在正式的文字中）。

然而，传感器进行测量时总是伴随着误差，用数据来描述校准曲线与规定直线的偏离程度（即偏差）比用数据来描述校准曲线与规定直线的吻合程度显得更加直观，故现在人们仍然习惯于用非线性这一术语来描述和表征传感器的输入—输出特性。

线性度根据校准曲线定义的不同，又分为独立线性度、端基线性度和零基线性度。

2.1 独立线性度
独立线性度的曲线可以调整到接近规定的直线，使最大偏差为最小时的吻合程度。

独立线性度曲线如图2-2所示。

在国外，人们常常把独立线性度称作最佳拟合直线。

2.2 端基线性度
端基线性度的曲线可以调整到接近规定的直线，使输入和输出两条曲线的范围上限值和范围下限值重合时的吻合程度。

端基线性度曲线如图2-3所示。

2.3 零基线性度
零基线性度的校准曲线可以调整到接近规定的直线，是两条曲线的范围下限值重合且最大正偏差和最大负偏差相等时的吻合程度，
3 传感器的线性误差计算方法
传感器的线性误差是指校准曲线与规定直线之间最大偏差的绝对值。

传感器的线性误差通常有四种计算方法，即独立线性误差（又称端点平移线法线性度误差）、端基线性度误差、零基线性度误差和最小二乘直线法线性度误差[3]。

顾名思义，独立线性度误差、端基线性度误差和零基线性度误差是分别按照各自的定义来确立传感器的工作直线，再通过工作直线来计算传感器的误差。

最小二乘法线性度误差是利用最小二乘直线作为传感器的工作直线，再通过工作直线来计算传感器的偏差。

由于端基法或端点法计算最方便和直观，故此法应用的比较普遍。

然而，端点平移线法和最小二乘直线法更能表征传感器的线性度特征，故在国家的相应检定规定中常常将此两种方法作为计算传感器线性度的方法，特别是最小二乘直线法线性度误差的拟合精度最高，但计算起来比较麻烦。

然而，随着计算机的普及应用，计算最小二乘直线法的线性度大为简化，大大方便了实际应用。

4传感器线性度提高方法
对于大多数生产厂家和用户都希望传感器的线性度指标最好，即传感器的线性度误差最小。

由于传感器在材料和制造工艺方面存在着一定的局限性，传感器
世实际的输入—输出曲线之间总是存在一定的误差。

因此，需要对传感器的非线性特性进行线性化处理，以提高传感器的线性度，达到很高的准确度。

提高传感器的线性度方法归纳起来主要有硬件方法和软件方法两；硬件补偿方法是在电路中增加相应的硬件（例如：电阻；硬件补偿法和软件补偿法各有各自的优点和不足；4.1传感器线性度硬件补偿原理；由于目前我国模拟量传感器仍然处于主流，故传感器的；典型的传感器输入输出特性曲线一般有两种：S形曲线；图4-1对称S形曲线；图4-2对称C形曲线；如果补偿曲线能够产生与特性曲线成镜像的输
器的线性度方法归纳起来主要有硬件方法和软件方法两大类。

硬件补偿方法是在电路中增加相应的硬件（例如：电阻、电位器、二极管等）来实现对传感器的输入—输出特性曲线进行线性化补偿。

软件补偿法常采用插值法、查表法和模拟曲线法。

插值法由于软件简单故得到了广泛的应用。

插值法的补偿精度与采样点货测量点的多少或密集程度有着密切联系，采样点越多，补偿精度就越高。

但随着采样点的增多，势必造成产品的制造费用或制造成本的增加，因此采用插值法补偿时的采样点一般为5至10个之间。

硬件补偿法和软件补偿法各有各自的优点和不足。

硬件补偿法电路简单，操作容易，故产品材料成本及制造成本相应较低，但硬件补偿法的精度有限。

软件补偿法首先要求电路本身要有计算和存储单元（例如：单片机、Flash等），另一方面要求采样点足够的多，故造成产品的材料成本及制造成本相应较高，但软件补偿法的精度比较高。

随着单片机及ASIC技术的不断进步和完善，其制造成本也越来越低。

目前在国外，利用ASIC电路制作的产品已经接近用模拟器件制作的产品，特别是在具有大规模生产量的情况下，软件补偿法比硬件补偿法有着无与伦比的优越性。

相信在不远的将来，数字化或智能型的传感器将逐步替代现
有的模拟量传感器（包括模拟电路），软件补偿法也将成为提高传感器线性度的主流方法和趋势[4]。

4.1 传感器线性度硬件补偿原理
由于目前我国模拟量传感器仍然处于主流，故传感器的线性化补偿还是硬件补偿法，以下简要介绍一下硬件线性化补偿的基本原理。

如果补偿曲线能够产生与特性曲线成镜像的输出，那么传感器将得到比较理想的补偿效果。

对于大多数传感器来讲，都可以采用硬件方式对传感器进行补偿。

传感器硬件线性化补偿的原理是在传感器的输出和输入信号之间增加相应的硬件或产生相应的关联，将输出信号反馈到输入信号端，且反馈信号对输出信号产生的作用与传感器原始非线性曲线正好成为镜像。

Rf线性补偿电阻。

当传感器的非线性为正值时，只需要在信号激励电流源的反相输入端Y引入反馈信号，当输出信号随着输入信号增加而
增大时，反馈到桥路的激励电流源随之减小，从而使输出信号减小，即产生了一个与原始非线性成镜像的输出信号，从而起到了线性补偿的作用。

反之，对于传感器的非线性为负值时，只需在信号激励电流源的同相输入端X处引入反馈信号即可。

5 结束语
线性度是传感器一个十分重要的指标和参数，因此，提高传感器的线性度就显得十分有必要和意义。

提高传感器的线性度的前提是一定要有良好的重复性和较小的回差，仅相当于非线性的1/10～1/2，以便可以进行线性化处理。

提高传
感器的线性度方法多种多样，但只要掌握了传感器的输入—输出特性曲线，采用相应的补偿措施，都会大大提高传感器的线性度。

参考文献
[1]黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用.成都：电子科技大学出版社，2005
[2]康健.传感器的线性度及其线性化处理.电子质量自动化与仪器仪表卷，2 006
[3]Application Information. IC Sensors Inc,1993
[4]Signal Condition for Sensor. Nava Sensor Inc,1994。