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0引言
智能儀表的模擬輸入通道一般由傳感器、前置放大電路、有源濾波器、采樣保持電路（S/H）、A/D轉(zhuǎn)換器和微機系統(tǒng)等電路組成⑴。由于電子元器件性能參數(shù)的離散性、穩(wěn)定性和溫度敏感性等問題，目前還得不到根本的解決。因此，從傳感器到A/D轉(zhuǎn)換之間的任何一個環(huán)節(jié)都存在非線性的問題，使得A/D轉(zhuǎn)換值n與被測量”不成線性關(guān)系，即n#ax+b（a、b為常數(shù)）⑵。如果不解決這種非線性問題，將會嚴重影響智能儀表的測量精度。常用的非線性校正方法有校正函數(shù)法、査表法和模型校正法[3]。
①校正函數(shù)法要求傳感器的輸入/輸出特性能用數(shù)學解析式表示,且輸入通道的其它環(huán)節(jié)可認為是線性的。事實上，很多傳感器的輸入/輸出特性很難用解析式表示，并且如果解析式計算太復雜,還會嚴重影響測量速度。因此，校正函數(shù)法的應用受到較大的局限⑷。
②査表法必須針對每一個傳感器進行校正，而且需要把大量的校正數(shù)據(jù)制成表格存入儀表內(nèi)存。而一般的智能儀表的內(nèi)存非常有限;當因故更換傳感器時,需要重新校正、修訂內(nèi)存中的表格數(shù)據(jù),應用起來也非常不方便囪O
③模型校正法的基本原理是設(shè)法找到一個近似函數(shù)g（*）或多個分段近似函數(shù)gl（*）、g2（X）、g3（X）、幻（必等來代替原函數(shù)/（%）□模型校正法的關(guān)鍵是如何求出既能滿足精度要求，又能滿足計算簡單的校正模型。通常校正模型計算太復雜會影響測量速度，所以釆用模型校正法進行非線性校正時,往往釆用離線處理的方式⑹。
智能儀表的特點是:釆用的微控制器通常不便于進行復雜的計算，內(nèi)存也非常有限，而且很多情況下實時性要求高，不允許離線校正。因此，尋找到一種簡便、有效、通用的非線性自動校正方法,具有非常重要的意義。
1非線性自動校正算法
采用分段直線方程的非線性校正原理如圖1所示。設(shè)儀表的被測量用X表示,儀表中對應的A/D轉(zhuǎn)換值用N表示,則曲線表示儀表的非線性特性曲線?，F(xiàn)將曲線分成若干段，如果分段點的位置和分段數(shù)選取合適，則每一段曲線可近似看成是一直線段。這樣，曲線就可看成是由若干直線段組成。如圖中虛線段AB、BC可分別近似表示曲線AB和曲線BC

圖1非線性校正原理
Fig.1Principleofnonlinearcorrection

圖1中：曲線。心分段后各段端點對應的被測信號分別為x；儀表中對應的A/D轉(zhuǎn)換值分別為他，“?，叫_|,凡，
M。其中,X為被測量的最小值,X為被測量的最大值。顯然線段48的斜率為：
曲線段48上的點（«/（«））,可用直線段AB上的點P（n,x）近似表示，而點P滿足：
x=Xi_i+
i=l,2,3,m,N—WnW凡    （2）
將式（1）代入式（2）,則有：
X-A-1+                    ,
-1    N「Nm
i=\,2,3,…,m,N；_[WnWN[（3）式（2）、式（3）就是得到的分段直線校正方程。其中式（2）可稱為點斜式校正方程，因為校正方程由線段上的端點（W,t，X_）和斜率庇決定;式（3）可稱為兩點式校正方程，因為校正方程由線段上的兩端點（W-At）和（凡A）決定。
在校準時，若采用點斜式校正方程,則依次把校正方程參數(shù)和庇（其中i=1,2,3，…，皿）存入儀表的內(nèi)存;若釆用兩點式校正方程，則依次把校正方程參數(shù)（叫,&）（其中i=0,l,2,3,?"，m）存入儀表的內(nèi)存。在實際測量時只要先用程序判斷儀表當前的A/D轉(zhuǎn)換值N位于哪一個直線段，再從儀表內(nèi)存中取出相應直線段的校正方程參數(shù),則可由校正方程求出相應的測量值X。
從校正方程可以看岀，測量值只與校正點的測量數(shù)據(jù)有關(guān),而與包括傳感器在內(nèi)的模擬輸入通道的各環(huán)節(jié)的非線性并無直接關(guān)系。因此，只要儀表的重復性或穩(wěn)定性較好，即在不同時刻測量同一被測量X時,得到的A/D轉(zhuǎn)換值N始終或基本保持不變,不論非線性是由于傳感器還是因為模擬輸入通道的其它環(huán)節(jié)引起的，都可以達到非線性校正的目的，從而保證儀表的測量精度。理論上講,分的段數(shù)越多，儀表的測量精度就越高，但相應地，占用儀表的內(nèi)存也越多，測量速度也會有少許影響，校準時也會稍微復雜。
需要指出的是，各種智能儀表存在較大的差異，實際應用中要視具體情況對非線性校正方程進行必要的修正。
2在稱重儀表中的應用
在電子衡器中，廣泛釆用的稱重傳感器是壓力或拉力傳感器。不論傳感器的量程多大,其滿度輸出一般為2mV左右，因此，對于同一種類型（靜態(tài)或動態(tài)）的電子衡器而言，往往可以釆用通用的稱重儀表。
電子衡器尤其是商用電子衡器，不僅對稱重精度有很高的要求，而且對實時性也有較高的要求。因此，稱重儀表的非線性校正必須釆用在線方式。
2.1非線性自動校正方程的修正
在稱重儀表中，最小測量值X。=0kg,對應的零點值叫關(guān)0,而且會隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實際測量時，各校正點X,對應的A/D轉(zhuǎn)換值N,（i=1,2,3,…）也會因零點的變化而相應發(fā)生變化。也就是說，環(huán)境溫度變化后，實際測量時,當被測量為X.時，儀表內(nèi)部獲取的A/D轉(zhuǎn)換值不再是校正時的M,從而使得按上述校正方程式（2）或式（3）求取的測量校正值是錯誤的或不準確的。
實驗證明，稱重儀表的零點值M受環(huán)境溫度的影響較大，而其非線性特性曲線受環(huán)境溫度的影響較?、?。如圖1中所示,M發(fā)生變化后，可以近似認為非線性特性曲線。心只是適當左移或右移。也就是說，盡管M是變化的，而乩-依（i=1,2,3,…）可以認為是不變的。
一般來說，每天的不同時刻都會存在一定的溫差，但每天的溫度變化都非常緩慢，稱重儀表的零點在使用過程中的變化也非常緩慢。根據(jù)這個特點，我們完全可以用軟件的方法實現(xiàn)零點跟蹤,即在某個較短的時間段（如0.5s）內(nèi)，若采樣到的A/D值e與卒前的零點伉之差的絕對值不超過某個較小的數(shù)值，則4依=no
鑒于儀表的零點值此受環(huán)境溫度的影響較大，非線性校正方程要作相應的修正:不管是校正時還是實際測量時，均把得到的A/D轉(zhuǎn)換值減去零點值叫。此時，點斜式校正方程修正為：
為=孔1+［（幾-叫）-（乩_|-叫）］庇=
Xi_l+（N-Mi_l）ki    （4）
式中；N=n-N0；X0=0；^.,=N._,-N0；i=l,2,3，…WNWA/；。
兩點式校正方程修正為：
_Y［（幾-M）-（凡-i-M）］（x；-X—）_
X=    （Nf）-（凡T-M）    =
...
Ji-l+—⑸式中：N=n-N°；M°=X。=Q；Mi=叫-頑=1,2,3,…，m；知_iWWWM。
2.2校正方程參數(shù)的存儲結(jié)構(gòu)
對于點斜式校正方程式（4）而言,要存入儀表內(nèi)存的校正方程參數(shù)為和庇（i=l,2,3，…,m；Mo=X°=0），可用一個三維數(shù)組形式的表格存放。
對于兩點式校正方程式（5）而言,要存入儀表內(nèi)存的校正方程參數(shù)為網(wǎng)、&G=0,l,2,3,“?，m；M。=X。=0），可用一個二維數(shù)組形式的表格存放。
考慮到Mo=X0=0,故和X。不必保存，但應在表首位置存儲校正點數(shù)丿。兩個校正方程的校正參數(shù)在儀表內(nèi)存中的存儲結(jié)構(gòu)分別如圖2所示，其中Tab.1和Tab.2分別表示內(nèi)存參數(shù)表首地址。
（a）式（4）校正參數(shù)的存儲結(jié)構(gòu)
法運算，而兩點式要做一次乘法運算和一次除法運算?？紤]到:計算斜率庇時，為了保證測量精度，小數(shù)點后需要保留足夠的位數(shù)，視具體情況而定;而智能儀表中采用的微控制器通常不方便做小數(shù)乘法運算,而且位數(shù)越多、運算越耗時;另外，當分段數(shù)大于3時,點斜式比兩點式所需內(nèi)存空間要多。因此，對于在線實時校正的智能儀表來說，采用兩點式校正方程往往更合適一些。這里選用式（5）作為校正方程。為了描述時區(qū)分校正方程中的變量和儀表內(nèi)存中存儲的校正參數(shù),對校正方程做如下變量代換，令a=Xz,b=X：,c==則校正方程式（5）變?yōu)椋?br /> x=a+（N_：）（D,N=n_No（6）d—c
稱重計量時的非線性校正要解決以下三個問題。
①如何找出7V位于哪一個直線段,考慮到校正點數(shù)不會太多,可釆用簡單的順序查找法。
②在沒有進行校正前，儀表如何顯示實測重量。按全量程線性處理，即把量程的最大值X“作為唯
一校正點，但校正點數(shù)丿記為0,表示未進行過校正。因此，儀表內(nèi)存參數(shù)表初始化時,j處保存0M處保存M-n0、x,處保存x“、M和匕是可以預知的，而M也可以估算出來或通過實測獲得。
③當實際稱量物體的重量超過最大校準點重量時，儀表如何顯示實測重量。
按最大校準點求得的校正參數(shù)進行校正。因此，稱重儀表（電子衡器）稱重計量和校準時的非線性自動校正程序流程分別如圖3和圖4所示。

圖4校準程序流程圖
Fig.4Flowchartofcorrectingprocedure
稱重儀表（電子衡器）的校準過程如下：
①在稱重儀表預熱后，按〈校準〉功能鍵（為安全起見，可要求輸入一串驗證碼），進入校準狀態(tài)，此時儀表按原校準參數(shù)顯示重量值；
②稱量重量為Z的標準硃碼；
③從儀表鍵盤輸入標準砥碼重量值Z,完成一個點的校準,此后儀表按新校準參數(shù)顯示重量值；
④增加硃碼重量，重復第②~③步,直到按<完成校準〉功能鍵（為安全起見，可要求輸入一串驗證碼）結(jié)束校準。
該流程限定了每次校準時只能從小到大依次進行，并且只要校準了一個點，上一次的校正參數(shù)將不復存在?？紤]到大量程電子衡器校準工作量非常大，而校準點數(shù)較多，校準過程中難免有輸入差錯，為了避免在校準的后期因差錯而要推倒重來，可以將該算法稍加改進,允許取消當前的校準點參數(shù)，以便對該點重新校準。一般來說，可以選擇衡器規(guī)定的檢定點作為校準點。
3結(jié)束語
采用分段直線方程的非線性自動校正算法本質(zhì)上屬于模型校正法,但該算法并不是單純從解決傳感器等某個環(huán)節(jié)的非線性問題著手,而是著眼于解決智能儀表中整個模擬輸入通道的非線性校正問題。其主要特點是實現(xiàn)了智能儀表非線性的在線自動校正，校正模型簡單、校正參數(shù)容易獲取、通用性好，在智能儀表中具有廣泛的應用價值。
在稱重儀表中的實際應用表明，該算法簡單、實用、方便實現(xiàn)、使用效果良好。

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