传感器的自校准方法技术

本发明专利技术提供一种传感器自校准方法，它通过数据采样、近似值计算和收敛计算精确测量传感器线性误差而无需借助额外的空间和附加装置或附加传感器。按照本发明专利技术，无需比目标传感器精度更高的基准传感器和其它附加装置，只要通过对采样数据的处理（即利用差值近似计算线性误差的微分，利用微分值近似计算线性误差以及改进采样点和线性误差的收敛计算）就能自校准线性误差。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及诸如位移传感器、角度传感器之类。在研制纳米和纳弧度量级位移传感器和角度传感器的过程中，除了提高精度以外，困难在于获得保证精度所需的校准判别条件。一般为了校准干涉位移计的波长内插误差，已经提出了利用X射线干涉仪的方法(D．K．Bowen等人的“Subnanometer transducer characterization by X-ray interferometry”，PrecisionEngineering，12，3(1990)165)和利用PZT线性驱动范围的非线性误差补偿方法(W．How和G．Wilkening，“Investigation and compensation of non-linearity ofheterodyne intergerometers”，Precision Engineering，14，2(1992)91)。但是对于前一方法，用户难以利用。另一方面，在后一方法中，难以确定校准工作是否已经正确完成。此外，大多数这样的精密传感器都要求进行精确的调整。因此需要把它们安装在装置里作原位校准。但是普通方法无法满足这种要求。为了解决这个问题，本专利技术的专利技术人提出了一种位移传感器和角度传感器线性误差的自校准方法。通常情况下，为了获取普通传感器的校准数据，需要利用精度比待校准传感器更高的传感器系统。在自校准方法中，可以省去这种精密的传感器系统。本专利技术专利技术人提出的自校准方法在下列文献中有所述及(1)Kiyono，Morishima和Sugibuchi，“Self-calibrationmethod against linearity errorsfor displacement meters”，Journal of the Japan Society for PrecisionEngineering，59，12(1993)2043，(2)Kiyono，Ge和Nishino，“High accuracy ofinterferometer bv self-calibration of interpolation errors”，Journal of the JapanSociety for Precision Engineering，62，2(1996)279，(3)Kiyono和Zhang，“Study ofhigh accuracy self-calibration method for angukar sensor”，Journal of the JapanSociety for Precision Engineering，60，11(1994)1591。在位移中，制备一种与待校准传感器(以下称为目标传感器)类型相同的基准传感器。此外，采用了能够使基准传感器检测目标传感器n倍位移的杠杆系统。这样，当利用基准传感器校准目标传感器时，校准结果的线性误差被杠杆系统降低到1／n。通过不断的互校准，线性误差可以几乎收敛至零。在本专利技术专利技术人提出的自校准方法中，需要放大校准输入值的杠杆系统和目标传感器。因此难以在传感器安装在单元里对它作原位校准。为作原位校准，需要一种不用额外传感器和杠杆系统的方法。本专利技术的目标是提供一种传感器自校准方法，它通过数据采样、逼近计算和收敛计算精确测量传感器线性误差而无需借助额外的空间和附加装置或附加传感器。本专利技术的第一方面是一种传感器自校准方法，其校准曲线表示为f(x)=v=Sm．x+g(x)，这里x代表输入值；v代表输出值；Sm代表平均灵敏度；而g(x)代表线性误差，所述方法包括以下步骤(a)在预先确定的传感器校准范围内在多个第一采样点采样传感器输出值vi(这里i=1，2，…，n)；(b)在预先确定的传感器校准范围内在多个第二采样点采样传感器输出值vi+，每对第一和第二采样点之间的输入间隔为Δx；(c)在每个第一采样点上利用输出值vi计算输入近似值x0i≈vi／Sm；(d)利用差值Δvi=vi+-vi计算线性误差g(x)的微分近似值g’0(xi0)≈Δvi／Δx-Sm；(e)数值积分微分近似值g’0(x0i)以获得线性误差g(x)的线性误差近似值g0(x)=∑g’0(x0i)；以及(f)不断改进线性误差近似值g0(x)直到满足预先确定的收敛条件，从而利用线性误差近似值g0(x)改进输入近似值x0i，随后利用最终的输入近似值改进微分近似值g’0(x0i)，并利用最终的微分近似值改进线性误差近似值g0(x)。输入间隔Δx例如可以通过计算平均值Sm．Δx=∑Δvi／n得到。当步骤(a)和(b)中采样点间隔有一特定偏离时，根据平均值计算中采样间隔的偏离对差值Δvi赋与权重。本专利技术的第二方面是一种传感器自校准方法，其校准曲线表示为f(x)=v=Sm．x+g(x)，这里x代表输入值；v代表输出值；Sm代表平均灵敏度；而g(x)代表线性误差，所述方法包括以下步骤(a)将校准曲线用反函数B(v)=x=v／Sm+T(v)表示；(b)在预先确定的传感器校准范围内在多个第一采样点采样输出值vi(这里i=1，2，…，n)；(c)在预先确定的传感器校准范围内在多个第二采样点采样输出值vi+，每对第一和第二采样点之间的输入间隔为Δx；(d)利用差值Δvi=vi+-vi计算反函数B(v)的线性误差T(v)的微分近似值T’(vi)≈Δx／Δvi-1／Sm；以及(e)数值积分微分近似值T’(vi)以获得线性误差T(v)。按照本专利技术，无需采用比目标传感器精度更高的基准传感器和其它附加装置，只要通过对采样数据的处理(即利用差值近似计算线性误差的微分，利用微分值近似计算线性误差以及改进采样点和线性误差的收敛计算)就能自校准线性误差。因此，按照本专利技术，装在单元里的传感器可以在原位条件下进行自校准而无需借助专门的空间和附加装置。此外，按照本专利技术，借助校准曲线的反函数可以从采样数据中直接获得反函数的线性误差函数微分，并且对结果进行数值积分从而得到校准曲线。在利用反函数的方法中，由于在无线性误差的假定下没有进行近似计算，所以无需作收敛计算就可以获得校准曲线。通过以下结合附图对本专利技术实施例的描述可以进一步理解本专利技术的各种目标、特征和优点。附图说明图1为按照本专利技术的位移传感器自校准过程的流程图；图2为解释校准曲线上差值计算和输入近似值计算用的曲线；图3为解释线性误差微分函数近似值计算用的曲线；图4为解释线性误差近似值计算用的曲线；图5为驱动压电器件特性的曲线图；图6为通过数值计算得到的近似误差传输函数的曲线图；图7为校准结果的线性误差和残差曲线图；图8为存在偶然误差情况下校准结果的曲线图；图9为线性误差频率与校准残差之间关系的曲线图；图10为线性误差幅度与残差之间关系的曲线图；图11为位置误差与残差之间关系的曲线图；图12为对采样间隔存在／不存在偏离补偿时与残差之间关系的曲线图；图13为驱动电压与输入位移之间关系的曲线图；图14为实验用校准单元的示意图；图15为图14所示校准单元的稳定性曲线图；图16为图14所示校准单元校准结果的曲线图；图17为图14所示校准单元驱动电压与输入位移之间关系的曲线图；图18为采用已有技术自校准方法获得的校准数据曲线图；图19为图16和18所示校准数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器自校准方法，其特征在于校准曲线表示为ｆ（ｘ）＝ｖ＝Ｓｍ．ｘ＋ｇ（ｘ），这里ｘ代表输入值；ｖ代表输出值；Ｓｍ代表平均灵敏度；而ｇ（ｘ）代表线性误差，所述方法包括以下步骤：（ａ）在预先确定的传感器校准范围内按照多个第一采样点采样传 感器输出值ｖｉ（这里ｉ＝１，２，…，ｎ）；（ｂ）在预先确定的传感器校准范围内按照多个第二采样点采样传感器输出值ｖｉ＋，每对第一和第二采样点之间的输入间隔为Δｘ；（ｃ）在每个第一采样点上利用输出值ｖｉ计算输入近似值ｘ０ｉ≈ｖｉ／Ｓｍ； （ｄ）利用差值Δｖｉ＝ｖｉ＋－ｖｉ计算线性误差ｇ（ｘ）的微分近似值ｇ’０（ｘｉ０）≈Δｖｉ／Δｘ－Ｓｍ；（ｅ）数值积分微分近似值ｇ’０（ｘ０ｉ）以获得线性误差ｇ（ｘ）的线性误差近似值ｇ０（ｘ）＝∑ｇ’０（ｘ０ｉ）；以及（ｆ）不断 改进线性误差近似值ｇ０（ｘ）直到满足预先确定的收敛条件，从而利用线性误差近似值ｇ０（ｘ）改进输入近似值ｘ０ｉ，随后利用最终的输入近似值改进微分近似值ｇ’０（ｘ０ｉ），并利用最终的微分近似值改进线性误差近似值ｇ０（ｘ）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：清野慧，
申请(专利权)人：清野慧，株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]