自校准和自适应增益及量程调整方法

（一）自校准

智能传感器的自校准是在软件程序的引导下实时进行的自动校零和自动校准。

假设经过试验某传感器系统标定得出的静态输出（y）-输入（x）特性为：

式中：a0表示当输入x=0时的输出值；a1表示灵敏度，也可将其称为传感器系统的转换增益。

理想传感器中的a0与a1应恒定，但实际因各种因素影响，a0与a1都不可能恒定不变。例如，决定放大器增益的外接电阻的阻值会随着温度的变化而变化，进而引起放大器增益发生变化，传感器系统的总增益也随之发生改变，即系统总的灵敏度发生变化。

设a1=S+Δa1，其中S表示增益的恒定部分，Δa1表示变化量；又设a0=P+Δa0，其中P表示零位值的恒定部分，Δa0表示变化量，则有：

式中，Δa0为零位漂移，会带来系统的零位误差；Δa1为灵敏度漂移，会带来系统的测量误差。

传统的传感器追求的是精心设计和制作，所以通常在选择材料及元器件时会制订相当严格的高质量标准，这样就可以将Δa1及Δa0，也就是灵敏度漂移及零漂控制在某一限度内，而这样做的代价就是要付出高额的成本。

在智能传感器系统中，系统可以自动校准零位漂移与灵敏度变化产生的实时误差。一般情况下，实施自校准功能都会采用两种方法（具体如下所述）。这2种方法都基于实时标定的思想实现自校准，只是范围与完善程度有一定的差异，采用的标准量也有所不同。

1.自校准功能实现的具体方法之一

如图6-5所示，该实时自校准没有加入传感器。标准发生器产生标准值UR和零点标准值，在属性上与传感器输出参量Ux为相同类型。为了达到在自动校准时接通有区别的输入信号的目的，微处理器在每一个周期内发出命令，控制多路转换器都会在这个周期内执行3步测量法。

图6-5　智能传感器系统实现自校准功能原理框图（不含传感器自校）

第一，校零。输入信号为零点标准值，输出值为y0=a0。

第二，标定。输入信号为标准值UR，输出值为yR。

第三，测量。输入信号为传感器的输出Ux，输出值为yx。

因此被校环节的增益a1可以进行求解，即：

被测信号Ux则为

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可见，这种方法是实时测量零点，实时标定灵敏度/增益a1。

2.实现自校准功能的方法之二

图6-6中的自校准功能方案可以对包括传感器在内的整个传感器系统进行实时自校，标准发生器产生的标准值xR、零点标准值x0与传感器输入的被测参数x的属性相同。

图6-6　智能传感器系统实现自校准功能原理框图

例如，测量中的参考压力值P=x，则在标准压力发生器产生的压力PR=xR。若传感器测量的是相对大气压PB的压差（表压），零点的标准值就是大气压力值，此时x0就等于PB的绝对值。多路转换器是一种扫描阈，主要功能是作为非电型的可传输流体介质的气动多路开关。因此，微处理器在每个特定时间内发出命令时，控制多路转换器进行实时校零、标定和测量3个步骤，所以全传感器系统的增益/灵敏度a1为：

被测目标参量x为：

式中：yx是被测目标参量x为输入量时的输出值；yR为标准值x为输入量时的输出值；y0为零点标准值为输入量时的输出值。

标准发生器产生的标准值的精度决定了整个传感器系统的精度。所以，对其稳定性要求仅在校准系统的测量时间段内，此前和此后的误差因素都不会导致系统误差，以达到采用低精度测量系统获得高精度测量结果的目的。

（二）自适应增益控制和量程自动调整

1.自动增益控制

由于在数据采集系统中各测量点的参数变化范围不同，传感器输出信号的幅值可能相差很大。为减少硬件设备，可用一个可编程增益放大器（PGA），在微处理器的控制下，根据所连接的传感器输出幅值高低来改变PGA的增益，使每一路信号都能放大到合适幅度，从而提高测量精度。

目前，一些厂家已经推出了单片集成的PGA，如美国AD公司的LH0084，就是在测量放大器的基础上发展的，增加了少量的控制程序，这样就能很容易地实现量程的自动调整，图6-7就是其原理。

图6-7　利用PGA实现量程自动调整

如图6-7所示，ADC可采用双积分式转换器，具有溢出或过量标志信号。PGA的增益可有1、10、100三挡变化，通过微处理器接口实现控制。传感器信号输入前，由初始化程序设定PGA的增益为1，经采样与A/D转换后，判断转换结果是否溢出。若溢出，且PGA的增益已经降到最低，说明被测传感器的信号已超过系统的最高测量范围，这时微处理器进行超量程处理及显示。若没溢出，则再次判断最高位（其BCD码只可能是0或1）是否为0，如果此时PGA增益不是最高一档，要将PGA增益升高一档，否则，说明增益已切换到合适的一档，微处理器可进一步对信号做预处理，如数字滤波、标度变换及其他运算、存储和显示等。利用此方案，最大被测电压与最小感量之比可达2×105。如果要再扩大测量的动态范围，可增加PGA增益的挡位或改用分辨率更高的ADC。

2.量程自动调整

智能传感器的量程自动调整需要对系统自身的数据容量与被测量范围、系统精度与信噪比、系统的灵敏度与要求的分辨率等诸多因素进行综合考虑，从而折中选择确定增益挡数和换挡准则。如果增益过低，就会浪费数据容量，并且信噪比很低。增益过大，信息会因数据容量不够而损失掉，会产生误差。因此，增益的设置必须由实际问题而定，没有一个通用的规则。图6-8是一个改变采样电阻大小来调整量程的例子。被测电阻和参考电阻流过相同的恒定电流，当被测电阻与参考电阻RN1上的电压差过小，使差动放大后的电压所转换出的频率太低时，由微处理器控制切换开关S转接到RN2上，以获得较大的被测电阻与参考电阻上的电压差，从而提高输出频率，以有利于提高测频精度。

图6-8　自适应量程电路