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1、26。测控技未MEASUREMEN T程序结构新颖合理,可川人机对话方式选择标定项目,经试算证明程序 准确 可靠,使用方便,能完全代替人 工处理数据的繁琐工作。一、前言压 力传感器广泛用于机械、矿 山、航空、汽车等部门的液压气动压力侧量中。不 论是应变片式、压电式或压阻式压力传感器在使用前都必须进行标定。静态标定是对压力传感器静态性能的基本衡量,也是对传感器质量的基本槛定。静态标定不合格的传感器无从谈它的动态指标。因而对压力传感器静态标定方法的研究不仅是传感器生产厂家的重要工作,也是使用传感器的各测量部门应该重视的工作。本文初步探讨 了线性压力传感器静标的数学模型,并在此基础上 用SB A S
2、I C一1 1(结构BAs IC一且)编制了标定程序,对挣标中的几个主要指标如工作直线、重复性、迟滞、非线性度、精度采用人机对话方式进行选择计算。经试算证明程序准 确可靠,使用方便。把微机用于传感器的标定中,对大量的标定数据作出快速准确的处理是传感器标定技术发展的方向。笔者在这方面作了一次尝试,愿今后能有更多高质量的通用标定程厂卜 问世,以促进测试工 作更迅速地发展。二、压力传感器静标的数学模型传感器的静态特性常用某些指标从各个测面反映已的静态工作性能。例如静态钡幼量时,反映基本误差的指标有重复性、退 滞、非线性鉴精度等,反映附加误差的指标有零点温度漂移、灵敏度温度系数等。另外,对于通常使用的
3、线性传感器,必须求其形,如y=。十b x的工作直线。工作直线一方面把二次仪表中的电压值与压力值一一对应起来,用线性函数形式建立压力与电压间相互的转换关系,另方面,工作直线是求得某些指标,如非线性度,精度等的基准。本文的 目的在于讨论工作直线、重复性、迟滞、非线性度、精度共五项反映传感器典型静特性的指标。目前,国内尚无压力传感器静标的正式规范,本文以中国计量科学研究院压 力室编写的精密线性压力传感器静态标定方法(讨论稿)“为主要依据,并参考了资料2 3及其它资料,对数学模型进行讨论,井编制程序卫 上 行计算。1.满t程翰出值U,s满量程输出值通常定义为传感器测量上限示值平均值石。,与测量下限示值
4、平均 值习d之代数差“ 2:“,。=口。P一口。(i)有的文献“用理论满量程输出值 代替实测满量程输出值。理论满量程输出值定义为:Y,:=(pr n一P:)b(2)式中P.为测量上限的输入值,P:为测量 下 限的输入值,b为工作直线的斜率。在 用端线平移直线作工作直线时,山一J“b二(UoP一Ud)八p二 一p:),因而YF、=(p。 一p,)(U。,一百d)/(p二 一p:)I二U。,一乙。=U,两者相同。用最小二乘法求工作直线时两者稍有差别,但从计算实例看来相差很小。本文按(1)式定义U外。第1期压力传感器静态标定数据的计算机处埋方法2.工作! 线工作直线是指能较理想地表征传感器输入量P与
5、输出量v之间线性关系的直线,用线性方程v二。十bP表示。工作直线有端线平移直线和最小二乘直线两种表示,两者各有千秋。(l )端线平 移直线用端线平移直线作为工作直线的出发点是使整个侧量范围的最大正误差与最大负误差的绝对值相等,在多数情况下能得 到较 高 的精度。端线平移法通常按两步进行。第一步求端点连线方程,第二步按一定要求平移该连线,求得所需的平移直线。( a)端点连线的方程为:几U。,_.U=Ud+二二些二一(P一Pd)(3) 一尸u P一尸d-式中Pd,P。p分别为测量下限和和上限压力值。(b)求各标定点正,反行程各 自的示值平均 值行, 。,和行;“,与端点连线的代数差八U,“,= =
6、。,。,一t T和U:“,=石,“,一U。找出其中的最大值Ul l l。:和最小值Um 孟。,再将(3 )式求得的端点连线移到十(A Um:、十Um,。)处,得 端 线平移直线方程为:犷=口。+十(Um.二+Um,n)兄尸i乙U:Sp。=艺几U:一云尸:声六厂一,厅=(5)乙U(6)a二厅一b.尸U一pPP尸卜J.口犷=a十b 尸_5pur二_一二士 生 了Sp pSuu(7)(8)式中m为标定点数,a为纵轴截距,b为直线斜率。3.迟滞迟滞是反映正、反行程间不重合程度的指标,可用整个测量范围内的址大迟滞值与满量程输出值之比的百分数表示。各标定点的示值平均值U:与工作直线的差为IU,一vi,找出
7、其 中最大值l亡;一vl。:、,则迟滞为:AH=一 U一Vm。 、UF sx10 0乡 石(9)U,、尸up一尸d(尸一尸d)(4)(2)最小二乘直线以最小二乘直线作为工作直线 的特点是各标定点上的误差的平方之和最小,测量范围内的误差分布比较均匀,但整个测量范围内的最大误差的绝对值并不一定是最小,最大正误差与最大负误差的绝对值也不一定相等。最小二乘法原理及推导过程是众 所周知的,本文不再赘述,仅列出编程中采用 的数学公式:(乙p,),4,重复性重复性是反映传感器在同一测试条件一卜 反复测量同一输入量时输出值重复一致程度的指标。测试中传感器本身存在某些随机变 化 囚素,输出值在期望值附近随机摆动
8、。通常 认为输出值是具有正态概率分布规律的随机变址,所以标准偏差可反映输出值的离散程度或重复一致程度。可以设想,用标准偏差的函数来衡量重复性是合理的。设U,q“分别为各际定点正、反行程的标准偏差,则重复性为:孔p=兄尸啥-一一而一一(兄U:)2凡。二乙川-一一飞不一一 、=。了1一厂 2李月、艺。、)2+乙a(:“Uvsx10 0线(1 0)各标定点正、反行程的标准偏羞山下式计算.肠.询控技术 1 988平a 二“=了击三U!c一厅“”。:、一j、务。U。f一。,),:V”一王局(, )厂弃丽入式中u为循环次数。(1 0)式 中的置信系数 按习惯通常取为3,但有一定物理意义,因为取置信系数入=
9、3时,按正态分布考虑,可认为 置信概率为99.73%的随机误差的极限值为士3q。5.箱度精度是反映传感器系统误差和随机误差综合情况的指标。有关精度的计算方法 目前尽管还 有争议,但资料1,2的计算方法大同小异。本文仍以资料l作为编程的数学模型。首先求各标定点U:“,U:“与工作直线的差U、c,= =IU:“,一V!和U:“=U:“一v I,找 出U*“”中的最大值U厂欲芝,则传感器精度为:a=八R+(八Ui认: 1 tIU,。)x一 0 0%(12)拍拍人任忿苍个.”T,标定点从, ,欲欲摘7 f ,次胶份,声明翻扭扭铂铂入各标定肩亚反行行 程程公 抿,术 出平均泣泣, ,l去显东标定点压方方
10、 匆匆正反行月平钧健健习习您 出正反杭权均峨与I月一 立乡悦之萦萦 中中最大者与洲且程愉出 之 比 即为劣劣线线性以 姚布)胶形式丧不不匆匆正反行月平钧健健以以 压 力护为胡坐标.电电电电电电电电电电电电电电电电电电电电电电压压v为纵坐标作图图图习您 出正反杭权均峨与I月一 立乡悦之萦萦 中中中中中中中中中中中中中中最大者与洲且程愉出 之 比 即为劣劣线线性以 姚布)胶形式丧不不. . . 角胭序文件铂出方式 资资脸脸 佬刃人哎盆玄件件用用万序文件的拍入方式乎开文件件该该取欲摺存人括七的变址址计计界满t 粗泊出 电 压L卜卜州州州州州州州州州州州州州州州州州州州随钾L方式打开文f l,1巴l卜
11、 林幼 杀比、正正反 行 桂均谊之理中吸大者与满满满组仲区并 写人暇盘,.后关 闭交件件盈盈理铂也之比姆俐退 币, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,井井以 百分致刃人显示示万止二“三、程序结构及设计技巧本程序用S BAsIC一1 1编制:在MBc一100机(CF一50 4)上调试通过,经过实例验算证明程序正确可靠,1.程序结构程序框图如图1所示,程序采用逐项选择的结构形式,对各种选择均采用人机对话 方式实现。整个程序大致可分为以下儿部份:l)输入数据,求平均值并存 入 指定 数组。建立了列表显示输入数据程序段,以检查输入数据的正确性。2)用
12、*号在P一v坐标图上显示数据,可大致观察数据的分布情况。3)用顺序文件的输出方式把数据写入磁盘,以便保存。4)J日 人机对话方式选择工作直线,当L=1时求最小二乘工作直线。L=2时求端线平赘真线。L=”时不选择工作夏状,代时可幽自 图1计算迟滞和重复性,若继续选择非线性和精度时,因无工作直线无法进行计算,此时程序控制自动调用最小二乘直线子程序完成 计算。5)完成迟滞、重复性、非线性度、精度的计算。6)用随机方式将计算结果存磁盘。2.程序设计技巧和特点1)数据输入时可选川字头法。在传感器的标定中,忽略系统误差时,汉差分布总是按正态分布考虑,因而输出位总 是在期望值附近跳动,其输出示值前面JL位人
13、多相同,仅在最后一、两位有差别。例 如出现 关似1.2 8 5 4、1.2 5 5 2、2.2 5 5 9的情况是 很多的。此时在输入数据时,若能将相同部分作为宇头(如“ 85 )一次愉入,不同部分作为字撼娜第1期哎力传感器静态标定数据的计算机处理方法4,2,9)再分别输人,利用SBAs IC一1 1的字符串处理功能和字符一数字转换功能,使输入数据堆确无误,且具有省工省时的效果。本程序在数据输入 上采用 了字头加字尾的方法,将数据的相同部分(包括小数点,零和负号)作为字头一次输入,不同部分作为字尾络分别输入。若数据差别太大或不想采用字头法时,亦可用 一个(或几个)空格代替字头,字尾部分输入完整
14、的数据。该部分程序段特列清单于下:9 0FO RI=1TOM10 0月l=0.0:BI=0.011 0IN尸UT“尸二”;尸犷(NK,I,1)输入压 力,存于尸厂(NK,I ,1)rl,。的问题。因而输入数据必须在完成 后 列 表显示。另外,S BAS IC一1 1具有较强 的图示功 能,心在P一v坐标上显示输入数据的图形有利于直 州视地看出传感器线性的大致情况。列表显示和P一v坐标图示的例子如表1和函2所示。裹1PR ssuR ETRsNsDUC ERINPUTDA T .口. 口.口 .口. . .曰口. .M . . 曰口州 .P 衣12 0(MP.)0。000。010。020。030。
15、040。050。0 60。0 70。08O。09(mv)一2。6948一l。04 640。6 23 22。3 0 884。0 06657 17 87。4 4049。16 7810。9 28612。6 846IJ。4 606一Uav e rage(mv)一2。67一0。9 96 20。6 9242。394。0 95l5。80 247。5 259。248810。96 12l夕。72 8 614。睡 6JIZ1 301401乌0八U八”n U八n1O Q.1l 上, .2 2 0LINEIN尸UT“NOHEA D/卫尸AC E,HEADDA TA二?, :HE李产无字头输空格,有字头输字头。F OR
16、J=1T ONINPUT“TA I L+犷=”,A李(NK,I,J )/输人 正向行程尾部。HA李二H尸由+月牢(NK,I,J )字头与字尾相加组成数据字符串。A(N尤,I,J)=厂月 L(I了A$)将数据字符串变换为 数字 存于A (NK,I,J)中。A l二月1十A(NK,I,J ):NEXTJ/进行累加,求 正行程之和J尸 犷(NK,I,2)=Al/N/求平均了r。用同样方法输人和处理负向行程数据。NEXTI图2机器运行 的实践证 明,上述方法简单可靠,尤其在标定点数多、循环次 数多时,更大大体现其优越性。2)输入 数据列表显 示(或打印)并在P、一v坐标上显示其图形。输入数据是否正确是程序设计员十分关心8)用顺序文件的输出方式把输入数据存磁盘,用字符形式把计算结果存磁盘。本程序建立了两个数据文件。非1文件用输出方式把传感器的数据写入磁盘。采用语句6
