0-Z_温度传感器的非线性补偿

Z2温度传感器的非线性补偿3

江　东1,杨嘉祥1,赵　宏2

(1.哈尔滨理工大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150080;

2.中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:为实现Z2温度传感器的线性输出,在对Z2温度传感器的特性进行实际测试和研究的基础上,设

计了Z2温度传感器的工作电路,给出了温度数字传感器输出标准值。采用分段线性化的方法进行非线性

补偿,通过单片机软件编程加以实现。实验结果表明:设计的Z2温度传感器的输出与期望的线性输出的

最大误差小于±1℃,满足一般测温要求。

关键词:温度传感器;非线性补偿;分段线性化;单片机

中图分类号:TP212.11　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-9787(2008)07-0056-03

Non li n ear co m pen s a ti on of Z2tem pera ture sen sor3

J IANG Dong1,Y ANG J ia2xiang1,Z HAO Hong2

(1.College of Auto ma ti on,Harb i n Un i versity of Sc i ence and Technology,Harb i n150080,Ch i n a;

2.The49th Research I n stitute of Ch i n a Electron i cs Technology Group Corpora ti on,Harb i n150001,Ch i n a)

Abstract:I n order t o realize linear out put of Z2te mperature sens or,the circuit of Z2temperature sens or is designed

based on the actual test and research about the p r operty of Z2te mperature sens or.The out put standard value of

te mperature digit sens or is given.The nonlinear compensati on is realized by the method of fracti on linearizati on

thr ough monolithic m icr ocomputer p r ogra m.The experi m ental results show that the maxi m u m err or bet w een the

out put of designed Z2te mperature sens or and the expected linear out put are less than±1℃,this meets common

app licati on.

Key words:te mperature sens or;nonlinear compensati on;fracti on linearizati on;monolithic m icr ocomputer

0　引　言

Z2传感器是一种新型半导体器件,是由俄罗斯传感器专家V2Zot ov发明并以其名字命名的。Z2传感器可以测量温度、磁场强度、紫外线强度和随时间变化的积累量、微小位移、压力、拉力、转矩、振动、转角、流体的流速、加速度等被测量[1]。Z2传感器的最大优点是输出信号幅度大,且均能直接输出开关量或数字信号,因此,可以免去放大电路和A/D转换电路部分而直接应用。但Z2传感器的输出量与被测量一般呈非线性关系[2],严重制约了Z2传感器的普及和应用,在测量中,一般需要对非线性加以补偿,传感器最终均以线性化输出。非线性补偿可以在模拟量中进行[3],也可以通过数字量进行补偿。本文针对Z2温度传感器的工作机理,基于单片机技术实现了Z2温度传感器的线性化输出,所得输出量接近所期望的直线,输出精度达到±1℃,满足一般测量要求,对于实现Z2温度传感器的批量化生产具有现实意义。1　工作机理与测量电路

图1为Z2温度传感器的基本工作电路。Z2元件具有负阻效应,即Z2元件的伏—安特性中,当Z2元件两端电压增加至跳变电压V

th

值时,Z2元件两端电压将由高电平跳变到低

电平。将Z2元件与电容并联后,就构成了RC振荡回路,电

容不断充放电,在电容两端输出脉冲频率信号u

。由于半导体的温敏特性,Z2元件的伏—安特性将随温度而变化,因

此,跳变电压V

th

值也随温度而变化,由此输出脉冲信号u

0的频率也随温度变化,利用这一机理,即可实现温度测量

。

图1　Z2温度传感器基本工作电路

F i g1　Ba si c c i rcu it of Z2tem pera ture sen sor

收稿日期:2008-06-12

3基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040214003) 65

第7期　　　　　　　　　　　　江　东,等:Z 2温度传感器的非线性补偿　　　　　　　　　　　　　　　脉冲频率信号的大小与电源电压、电阻和电容均有关,也与Z 2元件的跳变电压V th 值有关。经实际测试欲使输出有稳定的振荡,电容C 的选择范围应在0.01～0.47μF,负载电阻应在5～20k

Ω范围,本文电容C 取值为0.1μF,负载电阻取10k

Ω。当电容值较小时,振荡频率较高,有较大的应变灵敏度,但零漂也相应较大。电容值过大或过小,电路都不能振荡。电源电压E 过高或过低,电路也不能振荡,一般取E =(1.2～1.4)V th ,此时,电路有稳定的振荡,经过实际测量得知,输出信号幅度在正常工作范围内,当温度T 加大时,对应的输出频率f 的递增速率略有下降,见图2

。

图2　Z 2温度传感器的输出频率与温度关系曲线

F i g 2　Rel a ti on sh i p curve between output frequency of

Z 2te m pera ture sen sor and tem pera ture

　　由图2可见,Z 2温度传感器输出频率信号与温度呈非线性关系,因此,需要对其进行非线性补偿。非线性补偿可以通过模拟电路实现,即可通过负反馈技术实现非线性补偿,也即硬件补偿。由于硬件补偿增加了成本,并且,在整个量程区间难以保证精度要求,而数字量补偿却可以通过程序进行逐点校正,具有模拟量无法比拟的优点。本文基于单片机技术通过数字量处理实现非线性补偿。由于数字信号的采集与传输是一个新问题,我国目前尚无关于频率信号的标准规定。经研究确认的线性频率信号输出标准如表1所示。

表1　温度数字传感器频率输出信号标准值

Tab 1　St andard frequency output va lue of te m pera ture

d i g it sen sor

温度(℃)

-20-10

10

20

30

40

50

60

70

80

…

输出频率(Hz )

800900100011001200130014001500160017001800…

　　由表1可见,频率f 对温度T 的灵敏度为S f =

10Hz/℃,分辨力在±0.1℃之内,高于目前使用较多的DS18B20,可以满足一般应用要求,所以,这一灵敏度的规定

是合适的。

2　软件补偿原理

设Z 2温度传感器非线性环节特性为f 1=g 1[T ](T 为温度),设校正环节特性为f 2=g 2(f 1),系统总输出为f 2=

g 2[g 1(T )],现要求整个系统的输出特性为线性,即

f 2=

g 2(f 1)=g 2[g 1(T )]=KT .

通过这2个环节的特性和总体设计要求可求出校正环节的特性,有

f 1=

g 1(T )=g 1(f 2/K ),f 2=Kg 1

-1

(f 1).

本式表明校正环节的特性与非线性环节输出特性的反函数成正比。整个线性化过程也可用图解的方法求出校正环节的特性,见图3

。

图3　图解法求校正环节特性

F i g 3　Graph i c m ethod to ca lcul a te correcti on da t a

　　图3中,第一象限为Z 2温度传感器的非线性环节的输

出特性,第四象限是所要求的传感器线性化输出特性;第二象限为135°射线,将已知的3个象限的曲线逐点向第三象限投射,即可得到线性化环节的特性曲线。

如果非线性环节输出特性在时间上是稳定的,可以统计出非线性误差值或找出非线性误差的规律,从而可以得到校正值或按照某种校正算法得到所需准确的线性数值[4]。

经实验测定,Z 2温度传感器受温度影响输出的非线性特性具有这一线性化的基本要求,即具有时间稳定性。这里,采用单片机系统进行校正,测定20个以上点进行系统校正。通过串行输入的方法来测量传感器的输出频率[5],通过I/O 端口输出线性化频率。系统的输出除了具有与被测量呈线性输出外,还具有波形整形的功能。

3　非线性补偿

考虑到Z 2温度传感器的输入输出负载效应[6],为减小测量误差,采用LM358运算放大作为信号隔离。采用

C52作为核心部件,用单片机定时/计数器实现频率测

量,通过软件编程实现非线性补偿、自动量程转换、软件滤波、自校正以及键盘、显示等监控管理,最后,以RS -232串

行接口方式输出频率量。主机原理图如图4所示

。

图4　主机电路图

F i g 4　M a i n c i rcu it d i a gram

7

5

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传感器与微系统　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第27卷　　由图4可见,参数输入、修改、保存电路部分采用串行

E 2

PROM ,这里,选用24C02来输入、修改、保存温度校正测

量的标定与随时修改校正参数。键盘电路采用C52的

P1口,直接输入开关量,实现人—机对话功能。显示部分采

用RF16V8与74LS573锁定显示数据。串行输出采用

RS-232接口芯片,实现电平转换,输出校正后的频率信号

并可实现与上位机的通信。电源电路采用AD /DC 模块,型号分别为HAS25-12-12W E D 和HAS25-5-12W E D,电源标称值为12V /0.22A 和5V /0.5A 。为保证测量精度,将整个测量范围分为20个区间,程序首先判断当前测量频率所在区间,并调用相应校正数据进行非线性补偿。程序框图见图5

。

图5　Z 2温度传感器非线性补偿程序框图

F i g 5　Block d i a gram of non li n ear com pen s a ti on

programm i n g of Z 2te m pera ture sen sor

　　经过单片机非线性补偿后的结果见图6。

　　由补偿后结果可以看出:误差在±1℃范围之内,满足一般测量要求。

4　结束语

由上可见,Z 2温度传感器具有非线性输出特性,需要进行非线性补偿方可实际应用。本文给出的温度数字传感器

输出信号的标准值在实际使用中不影响测量灵敏度和输出的精度要求,用所设计的Z 2温度传感器工作电路对输入波形整形可靠。实验结果表明:采用的单片机软件校正所得数据最大误差不超过±1℃,该校正方法为Z 2温度传感器的批量化生产奠定了基础

。

图6　Z 2温度传感器非线性补偿结果

F i g 6　Non li n ear com pen s a ti on results of Z 2te m pera ture sen sor

参考文献:

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—Z 2元件及其应用开发综

述[J ].传感器世界,2001,7(2):1-8.

[2]　周长恩.Z 2半导体敏感元件(2)

—Z 2元件的研制实践与工作机理的定性分析[J ].传感器世界,2001,7(4):1-9.

[3]　傅云鹏.Z 2半导体敏感元件(5)

—Z 2元件的温度补偿技

术[J ].传感器世界,2001,7(10):1-10.

[4]　吕　泉.现代传感器原理及应用[M ].北京:清华大学出版

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[5]　刘笃仁.传感器原理及应用技术[M ].西安:西安电子科技大

学出版社,2003.

[6]　张国雄.测控电路[M ].北京:机械工业出版社,2008.

作者简介:

江　东(1960-)男,湖北武汉人,副教授,博士研究生,研究方向为传感器与磁悬浮。

(上接第55页)

　　3)BG A 算法以波束空间的一维搜索替代ML 算法阵元空间的搜索,减少了计算量,但高信噪比条件下均方误差大于T ML 和T MUSI C 算法。可以通过增加单位区间内初始种子个数来改善BG A 算法估计性能,但这又会增大算法的计算量,实际使用时,可以折中考虑估计精度和运算速度来选择算法单位区间内初始种子个数。参考文献:

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工业大学,2005.

作者简介:

金　勇(1972-),男,河南开封人,讲师,博士研究生,研究方向为阵列信号处理和统计信号处理。

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