一种精密电子测量和补偿的方法和装置制造方法及图纸

基于非线性系统函数模型的精密电子测量和补偿涉及电子测量和电子系统补偿的领域。它克服了传统的线性系统函数模型的对非线性误差和固有误差无能为力的缺点。系统设计时保证输入是输出的函数是本方法的关键。测量一组输入和对应的输出的初值，用统计方法计算出输入－输出函数及各项系数；使用时，由输出直接计算出输入的被测量或补偿量。目的在于提高测量精度并给出对电子系统进行精密补偿的方法。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

Method and device for precise electronic measurement and compensation

Precision electronic measurement and compensation based on nonlinear system function model involving electronic measurement and electronic system compensation. It overcomes the shortcomings of the traditional linear system function model for the nonlinear error and inherent error. The key to this method is to ensure that the input is output. The initial value of a set of input and output is measured, and the input-output function and the coefficients are calculated by the statistical method. The purpose of this paper is to improve the measurement precision and give the method of precision compensation for the electronic system.

【技术实现步骤摘要】
精密电子测量和补偿涉及电子测量和电子系统补偿的领域，特别的涉及采用传感器的测量和电子系统的温度补偿。现有的电子测量系统大多是按线性系统函数的模型设计的。从数学的角度来看，现有的电子测量系统的系统函数是一个有误差的线性函数。这个系统中，输出是输入的函数。普遍的理解是，输出是输入的线性函数，输入也是输出的线性函数，不相等的部分视为误差。但忽略了一个重要问题，我们需要的是输入的值，即我们关心的是输入关于输出的函数，而此函数的存在性，也就是反函数存在性却被忽略了。当系统函数的非线性成分不能忽略时(如非线性传感器与特殊放大器不匹配)，输入是不是输出的函数已经不能肯定了，即已不能从输出确定输入了。这也是线性模型的在实际应用中的最大问题。现有的电子测量系统由传感器、放大器、量化器、多路数据转换器、控制与接口电路及进行数据处理的计算机组成。模拟部分的主要器件—以运算放大器为核心的放大器和均匀量化的A/D转换器都要求传感器有良好的线性。而实际上传感器都或多或少的有非线性成分，特别的有些种类的传感器是指数或对数特性的。在电路中，需要在增加非线性校正电路，或增加特殊放大器(如对数放大器)进行线性化处理。实际上，对传感器和系统的非线性特性补偿并没有很好的解决方法。在系统补偿上，特别是补偿温度变化引进的误差和器件固有误差时，可以采用的手段十分有限。通过采用增加一组热敏器件来补偿温度误差，而能满足匹配要求的器件很难挑选，且增加的器件又会带来新的固有误差；或者采用控制系统的环境温度的方法，则增加系统复杂性，且有一段较长的系统稳定时间，精度要求越高则稳定时间越长。在消除固有误差上，除消除零点误差可简单地增加一电位器或电阻调整零点，只能依靠选择高质量的元件减小(而不能消除)固有误差。由于固有误差和温度引进的误差的特性都是随机的，在电路设计时无法预见，则在设计中无法采取措施完全消除，还需在调试的过程中消除或减小。而调试的过程中，按线性函数的方法不能保证消除整个系统的误差。由于线性模拟系统模型有以上缺点，故设计了非线性系统函数模型方法。一个输入和一个输出的系统，输出是输入的函数，系统设计时保证输出是输入的严格单调函数，则输入也是输出的函数。测量一组输入和对应的输出的初值，用统计方法计算出输入—输出函数(一般情况下采用多项式函数逼近)的各项系数；使用中，由输出直接计算出输入。这里用到两个基本的数学定理1.严格单调函数存在反函数2.闭区间上的连续函数可以用多项式来一致逼近。(Weierstrass定理)当系统有多个输入输出时，一般的是输入输出的个数相等，但只关心某些输入值。如温度—压力混合传感器，压力测量受温度的影响，温度的测量是为了消除温度的影响。系统函数是多元向量函数，在实际应用中可视为有界的无限次可微函数，其反函数存在的条件是雅可比(Jacobi)行列式不等于零。雅可比行列式是由输出对输入的偏导数组成的行列式，解此不等式是比较困难的，具体实现时与之对应的器件的选择和电路的设计则更加困难，仅由于器件的随机误差就可能破坏了此条件。而且，当反函数存在的时侯，此反函数不一定高阶可微，即由泰勒公式导出的二次以上的多项式逼近可能不成立。既使多项式逼近成立，计算系数的统计模型会非常复杂。所以，多输入输出系统需要做一些简化，才有实际意义。本方法的目的是当采用非线性传感器时，可得到精密的测量结果；提高现有的测量系统测量精度；提出一种对电子系统进行精密补偿的方法。同时，降低系统中器件的要求，简化电子系统的电路和调试过程。以下分别介绍本方法用于测量和补偿的具体实施方法。1.本方法用于测量的实施方法及装置测量系统由传感器、放大器、量化器和进行数据处理的微控制器或微计算机及接口电路及组成，将要测量的量视为系统的输入，输出的量化结果视为系统的输出，使系统满足输出与输入严格单调；测量一组输入—输出初值，用统计方法计算出输入—输出的函数的各项系数；使用时，由量化值和输入—输出函数直接计算出输入。下面以直接输出数字温度值的温度传感器为例，说明此方法。采用本方法设计的温度传感器包括两个部分1.温度传感—量化部分2.数字处理部分温度传感—量化部分包含一组模拟温度传感器和放大器，量化器和一个内部电压源。它们被集成在可认为温度相同的一个封装内。传感器的输出信号经放大器放大后输入到量化器的输入端，此信号是温度的函数，设为S(t)；电压源为量化器提供基准电压，也是温度的函数，设为R(t)，则量化的结果为S(t)/R(t)，考虑量化器的误差，设为D＝f(t)，约等于S(t)/R(t)。f(t)的导数f′(t)约等于(R′(t)*S(t)-S′(t)*R(t))/R(t)2。实际上，2.5V能级禁带式电压源的典型温度系数为50ppm/K*2.5V＝0.125mV/K，齐纳稳压管的温度系数更小；传感器的典型温度系数约为2mV/K，经放大器放大后，S′(t)约为2mV/K乘以放大倍数，通过本领域的一般技术人员所熟知的设计方法，调节整个温度范围内放大器的输出电压，使R(t)*V′(t)的绝对值总大于V(t)*R′(t)绝对值；控制系统中各个部分的随机误差，使其不影响系统函数的单调性，则f′(t)的绝对值总大于零，且符号不变，即f(t)为温度的严格单调函数。当f(t)为温度的严格单调函数时，反函数存在，则温度也是D的单调函数，设温度t＝g(D)。当精度要求不高或测温范围较小时，g(D)可用一次函数逼近；否则，就增加高次项以提高精度。通过找到D和温度一组初值，用统计方法计算出g(D)的各项系数，使用时，由D直接计算出温度。除了用普通的A/D转换器做量化器，也可用一电压—频率转换器做量化器。由于电压—频率转换器可看作特殊的量化器，考虑频率f和温度t的函数t＝h(f)，通过测定的一组f和t的初值，来确定h(f)的各次项的系数。但频率的测量需要一频率基准源，需要在频率测量中考虑由频率基准源引入的误差。数字部分是一微控制器或微计算机及接口电路组成，通过本领域的一般技术人员所熟知的方法实现，完成以下四种基本功能1.接收由温度—量化部分传出的结果D2.由温度—量化部分的结果D计算出温度3.存储的g(D)的算法和各项系数4.计算或辅助计算的g(D)的各项系数计算g(D)的各项系数的过程，也是调试(校准)的过程。将传感—量化部分放入温场中，用精度更高的测温仪器测量温场温度，同时读出量化结果D。改变温场温度，重复以上过程，则得到一组温度与D的初值，通过计算，可得到g(D)的各项系数，它被存贮在数字部分的非易失存贮器中，数字部分的计算部件用此计算出温度值。g(D)采用的函数的次数可在这时确定从一次函数模型开始，先利用这组初值计算出函数的系数，再把各个D代入函数，检查误差是否满足要求，满足则采用一次函数；否则增加次数，重复以上过程，直到找到满足要求的次数或次数达到一定数值时为止。当用二次函数逼近时，计算方法如下测量n组t，D的初值，设t＝a＋b×D＋c×D2a＋b×E(D)＋c×E(D2)＝E(t)a×E(D)＋b×E(D2)＋c×E(D3)＝E(t×D)a×E(D2)＋b×E(D3)＋c×E(D4)＝E(t×D2)其中，E(Dk)=1nΣj=1nDjk---E(t&tim本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精密电子测量和补偿的方法，包括下列步骤： （１）建立系统的模型：在电子测量系统中，将要测量的量视为系统的输入，将测量的结果视为系统的输出；在对系统补偿的系统中，将引起原系统变化的量视为系统的输入，对变化的补偿视为系统的输出； （２）在系统设计时保证系统输入是系统输出的函数；即在单输入－输出系统中保证输出关于输入严格单调，在多个输入的系统中，使系统的输出－输入函数的雅可比（Ｊａｃｏｂｉ）行列式不等于零； （３）预测量过程：测量一组输入－输出的初值，采用统计方法确定满足误差要求的输入－输出的函数并计算出各项系数； （４）使用时，由（３）得到的函数及其系数由输出计算出满足误差要求的输入。

【技术特征摘要】
1一种精密电子测量和补偿的方法，包括下列步骤(1)建立系统的模型在电子测量系统中，将要测量的量视为系统的输入，将测量的结果视为系统的输出；在对系统补偿的系统中，将引起原系统变化的量视为系统的输入，对变化的补偿视为系统的输出；(2)在系统设计时保证系统输入是系统输出的函数；即在单输入—输出系统中保证输出关于输入严格单调，在多个输入的系统中，使系统的输出—输入函数的雅可比(Jacobi)行列式不等于零；(3)预测量过程测量一组输入—输出的初值，采用统计方法确定满足误差要求的输入—输出的函数并计算出各项系数；(4)使用时，由(3)得到的函数及其系数由输出计算出满足误差要求的输入。2一种精密电子测量和补偿的装置，由一微控制器或微计算机(5)和接口电路(6)组成其核心部分，其中的非易失存储器存储权利要求1的(3)中得到的函数系数，包含权利要求1的(4)的计算算法。由传感器(7)、放大器(8)和量化器(9)构成的模...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘劲彤，
申请(专利权)人：刘劲彤，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]