在工業自動化生產
、自動控製係統、非(fei)電(dian)量(liang)電(dian)測(ce)係(xi)統(tong)中(zhong)，廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)了(le)種(zhong)類(lei)繁(fan)多(duo)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，在(zai)測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)過(guo)程(cheng)中(zhong)起(qi)著(zhe)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。傳(chuan)感(gan)器(qi)獲(huo)取(qu)現(xian)場(chang)物(wu)理(li)信(xin)號(hao)的(de)正(zheng)確(que)與(yu)否(fou)
，直(zhi)接(jie)關(guan)係(xi)到(dao)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)。

1 傳感器輸入通道

本文隻針對模擬傳感器即輸出模擬量電信號進行討論，並不涉及有關數字傳感器。通常
，計算機係統一般對傳感器的接入如圖1所示。


這裏以力傳感器(多為mV級信號)為例，首先，經多路采樣開關采樣，進入放大器進行直流放大，最後放大的信號被送入ADC(模擬/數字轉換器)
，期間對快速瞬變的信號還須經采樣保持處理。ADC將放大後的模擬電壓信號轉換成數字信號，送入計算機係統的這些數字量信息
，雖代表各種物理量參數值的大小，仍須經過標度變換(工程量變換)
，將它轉換成原來參數的真實值，以便進行顯示、計算和處理。

yaobaozhengjisuanjixitongnenghuoqudaoxianchangzhenshibeijiancexinxi，baozhengxitongdezhunquedu，youbiyaocaiqubushizhendebianhuanfangfalaihuoquxianchangzhenshixinxi，duichuanganqishurutongdaodegegehuanjiejinxingtongyidebiaoding。

2 輸入標定思想

一般情況下
，位移輸入沒有類似力反饋的內部硬件增益。

圖2所示是力、位移傳感器輸入標定模塊圖。通常位移反饋信號(LVDT或電位計式)的放大計算類似力傳感器信號的放大，但是它們同樣需要計算增益，並使滿量程的最大最小值保持在±10V.


圖3所示是力、位移傳感器輸入標定比較圖。


首先來研究力傳感器的輸入。與計算機係統連接的力傳感器，是一個連接有激勵電壓的惠斯通電橋

，它能夠輸出以mV為單位的反饋信號[3].這個信號的強弱與激勵電壓有關
，如激勵電壓采用10 V，要由非常精確的線性電源提供(內部或獨立的外置電源)，力傳感器最終的輸出信號與在力傳感器上施加的外部力成比例，這個mV級信號即計算機係統測量的力信號。
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其qi次ci是shi確que定ding已yi選xuan力li傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du。力li傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du是shi由you計ji量liang部bu門men使shi用yong標biao準zhun測ce力li機ji檢jian定ding得de出chu的de，並bing在zai力li傳chuan感gan器qi檢jian定ding證zheng書shu中zhong標biao明ming。例li如ru
，力li傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du為wei1. 979 8 mV/V.
然後是確定硬件增益。為了使ADC獲得最佳的分辨率，這個mV級信號需要通過硬件增益來放大

，以使信號盡可能逼近滿量程的±10 V.用戶確定特定力傳感器所需要的一擋增益是非常簡單的，如表1所列。

對於具有確定靈敏度係數的力傳感器來講，放大後的信號電壓範圍可采用如下公式進行計算：

放大後的信號電壓=激勵電壓值×力傳感器靈敏度×放大係數

每一級放大係數都有一個對應的理想力傳感器靈敏度，它是能給出最大放大效果的那一個靈敏度。例如
，對於硬件增益500倍來說
，對應的力傳感器的理想靈敏度為2 mV/V.
任何超過2 mV/V的信號都將導致總放大後的信號超過10 V和A/D轉換器輸入的飽和。這將被視為信號截斷，從而無法達到全量程測量。可以看到采用放大係數500時最接近10 V
，表明沒有信號被截斷，因此它就是我們需要的最理想的放大係數。下麵通過幾個方麵來進行說明。

2.1 A/D轉換器

傳感器信號經過調理即放大後，就要被送入到ADC進行轉換。由於放大器和ADC本身有微小的誤差
，通常有必要對數字輸出信號進行修正以便獲得一個更精確的信號。這通過輸入通道標定增益(Calibration Gain)和零偏(CalibrationOffset)來實現。

2.2 力傳感器修正

反饋信號隨後通過一個以10級20行xing表biao格ge形xing式shi構gou成cheng的de軟ruan件jian放fang大da器qi做zuo進jin一yi步bu的de修xiu正zheng。這zhe個ge表biao格ge的de目mu的de是shi用yong來lai修xiu正zheng力li傳chuan感gan器qi的de非fei線xian性xing
，采cai用yong多duo步bu分fen段duan式shi的de方fang法fa。通tong常chang力li傳chuan感gan器qi的de非fei線xian性xing區qu出chu現xian在zai使shi用yong極ji限xian狀zhuang況kuang下xia(100%量程)，因此通常采用一個傳感器標定增益和零偏就足夠了。

2.3 力傳感器標定零偏

對於具有特定靈敏度的力傳感器，以下的例子計算結果都少於10 V
，這表明沒有信號截斷。例如：

10×1.934 mV/V×500 = 9.670 V10×2.321 mV/V×250 = 5.800 V然而，±10 V的整個測量範圍卻沒有達到。為了使反饋信號放大到滿量程的最大、最小力，就要使用力傳感器標定增益(10級表格)。

為wei了le快kuai速su確que定ding力li傳chuan感gan器qi所suo需xu標biao定ding增zeng益yi，一yi是shi用yong對dui應ying的de理li想xiang最zui大da輸shu入ru電dian壓ya除chu以yi實shi際ji放fang大da後hou信xin號hao電dian壓ya
，二er是shi用yong對dui應ying的de理li想xiang靈ling敏min度du除chu以yi實shi際ji靈ling敏min度du，表biao3和表4所列就是兩種計算力傳感器標定增益的方法值。

由於力傳感器的靜態零偏或作用在力傳感器上的其他質量，測量信號中將會看到零偏。利用10級表格零偏列參數輸入可消除這個偏移，以全量程的百分比值輸入後的力傳感器標定零偏如表5所列。

自此
，軟件中的讀數將以滿量程的百分比形式準確地顯示


，或以工程值準確顯示。
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3 輸入標定過程

以力傳感器輸入通道的標定過程為例予以說明。力的標定過程分為兩部分進行。

3.1 輸入通道增益和零偏的標定

如采用一個獨立的精確電源作為輸入，返回信號需要通過一個1 MΩ的(de)電(dian)阻(zu)連(lian)接(jie)到(dao)模(mo)擬(ni)地(di)。避(bi)免(mian)由(you)信(xin)調(tiao)器(qi)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)的(de)偏(pian)差(cha)而(er)帶(dai)來(lai)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)不(bu)穩(wen)定(ding)。同(tong)樣(yang)，也(ye)需(xu)要(yao)測(ce)量(liang)激(ji)勵(li)電(dian)壓(ya)在(zai)電(dian)纜(lan)末(mo)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)值(zhi)，並(bing)把(ba)它(ta)考(kao)慮(lv)進(jin)來(lai)。所(suo)以(yi)，強(qiang)烈(lie)建(jian)議(yi)用(yong)戶(hu)采(cai)用(yong)標(biao)定(ding)盒(he)來(lai)進(jin)行(xing)標(biao)定(ding)。

確定已連力傳感器的靈敏度
，例如，力傳感器靈敏度為1.979 8 mV/V.

確定反饋信號量程範圍是從-10 ~ +10 V.為了能夠充分利用整個量程
，最理想的辦法是采用放大係數，這個放大因子可以把反饋信號放大到±10 V範圍內。通過兩個步驟來實現
，一是采用硬件增益，另一是輸入通道標定增益。

現以硬件增益為例，選擇能夠把反饋信號放大到小於或等於10 V的放大係數。可以看到采用放大係數500倍時最接近10 V，因此它就是我們需要的最理想的放大係數。必須確保最終電壓不超過極限(-10 ~ +10 V)。若超過了極限
，可能出現無法預測的後果。

在確定了硬件增益後
，再把一個mV級高精度電源或一個標定盒或參考力傳感器連接到計算機係統的傳感器輸入通道上。

由於放大器和ADC不是完全理想的，自身存在很小的誤差
，達到的增益不可能確切就是所選擇的硬件增益。為了確保最終信號不會高於+10 V或低於-10 V，建議標定工作在滿量程的50%範圍內進行。

例如，與所選硬件增益500對應的理想靈敏度為：

10 V反饋電壓/(10 V激勵電壓×500)= 2 mV/V

需要注意的是
，激勵電壓以+5 V、-5 V形式給出，而要以一個mV級高精度電源來仿真模擬力傳感器輸出信號

，一般可選擇+10mV和-10mV作為輸出來模擬50%的載荷。這樣：
5 V激勵電壓(50%的10 V激勵電壓)×2 mV/V = 10 mV因此有：

10 mV×500 = 5 000 mV反饋電壓(50%的10 V反饋電壓)為力傳感器輸入通道施加代表50%量程的模擬信號輸入(10 mV)，同時將力反饋拖入到軟件的圖形取樣窗口中，可以看到顯示的平均值接近50%.為了把這個值調整到準確的50%
，就需要對輸入通道進行標定。選擇菜單中的“Calibrate”

按鈕，就可以打開如圖4所示的窗口。


對話框中的“Current Values”方框中顯示來自輸入反饋的mV電源
、標定盒或參考力傳感器的當前電壓百分數值。“Unscaled value”應該顯示一個接近-50%的讀數。點擊“Copy”，把這“Unscaled value”複製到“Unscaled value”列的第一行。隨後，在“Scaled value”列的第一行中輸入我們的期望值(-50%)。

轉換mV級電源或力傳感器的極性。“Unscaled value”

應該顯示一個接近+50%的讀數。把這個值複製到“Unscaledvalue”列的第二行，並在“Scaled value”列的第二行輸入+50%的值。

現在，按下“Calculate(計算)”按鈕，軟件開始計算該傳感器輸入通道標定增益和零偏以達到期望的Scaled值。按下“Apply(應用)”按鈕，這些值將被保存到計算機軟件係統中。
3.2 力傳感器的增益和零偏標定

這個問題實際上就是力傳感器標定的設定，即參數表格中的增益和零偏。

shangshushurutongdaobiaodingzengyihelingpian，doushiyilixianglichuanganqilingmindujinxingde

，erzuizhongshijidelichuanganqilingmindubingbudengtongyulixianglichuanganqilingmindu，yinciweilededaozhenshidelifankuixinxi，jiuxuyaoduishangshushurutongdaodebiaodingzengyihelingpianjinxingxiuzheng。fangfaruxia：

(1)對實際力傳感器的靈敏度進行補償。修正係數利用公式計算：

修正係數=理想靈敏度(mV/V)/實際靈敏度(mV/V)示例：LC靈敏度修正係數= 2 / 1.979 8 = 1.010 2.

(2)係統的最終增益。利用公式計算：

係統的最終增益=輸入通道標定增益×LC靈敏度修正係數示例：係統最終增益= 1.004 37×1.010 2 = 1.014 61.

(3)將jiang真zhen實shi力li傳chuan感gan器qi連lian接jie到dao傳chuan感gan器qi輸shu入ru通tong道dao後hou
，用yong手shou拉la或huo壓ya一yi下xia力li傳chuan感gan器qi來lai檢jian查zha增zeng益yi的de符fu號hao。如ru果guo不bu正zheng確que的de話hua，給gei係xi統tong增zeng益yi改gai變bian一yi下xia正zheng負fu號hao。

(4)由於力傳感器自身的靜態零偏或施加在力傳感器上的質量，可以看到一個小的零點偏移。在軟件圖形窗口中看到的偏移值，從係統零偏(System offset)中加上或減去(如果需要的話)這個值。

(5)保存力傳感器的LC靈敏度修正係數、係統最終增益和係統零偏(Save the configuration)到軟件係統中。

至此
，就完成了實際力傳感器的輸入標定。

結語

本傳感器(力、位移)輸入標定實現方法，首先按實際要接入的傳感器相對應的理想傳感器對輸入通道(硬件)進行標定，得到理想傳感器輸入通道標定增益和零偏;最後對實際要接入的傳感器(軟件)進行補償，得到係統最終增益及係統零偏。

這一方法可方便、精確地實現計算機係統傳感器輸入標定。譬如，一個力傳感器需要經常在計量部門標定，隻需根據新標定的實際靈敏度，重新計算出LC靈敏度修正係數、xitongzuizhongzengyijidedaoxitonglingpian
，jikewanchengduigaiduilichuanganqideshurubiaoding。zheyifangfayijingzaijisuanjicekongxitongdedaoyingyong，xiaoguolianghao，zhidetuiguanghejiejian。

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