第一章传感器的信号处理 §1.1前言 传感器获取的信号中常常夹杂嗓声及各种干扰信号,若要准确 地获取表征被检测对象特征的定量信息,必须对传感器检测到的信 号进行处理。为了加速传感器的实用化,国内外在传感器信号处理方 面作了大量工作,并发表了许多文章和专著,1984年日本的宫岛良 一和吉田裕道共著了《七冫匕周边回路》,1985年尾崎·弘和谷口 变治共著了《七>上信号处理》1985年《七冫艹技術》出版了实用 传感器电路专辑,1991年张福学编著出版了《传感器电子学2,其中 第16~21章论述了传感器电路的嗓声、模拟和数字信号处理、微机 信号处理中的应用及信号处理的设计例 传感器信号处理一舣是通过补偿滤波和噪声抑制等方法来提 高传感器的信噪比和改善分辨率,本章阐述这三种方法 §1.2传感器静态误差补偿 传感器的静态误差主要包括非线性误差、零位偏差和零位漂移 1.2.1修正非线性误差 般传感器的特性数学上可作为一个多变量函数来表达,即
其中y为传感器的输出;x是被测物理量;t1;t2;…是环境参数,如温 度、湿度、振动和冲击等。通常,这个函数是非线性的。为使传感器输 出读数计算和从应用系统中更换传感器简单化,传感器特性必须线 性化和标准化 对于大多数传惑器可通过传感器的包封技术来消除湿度振动 和冲击等环境因素对传感器的影响。例如,§21中介绍的压电射流 速率传感器,通过整体灌封和采用机械减震,可防潮、防盐雾、防霉 菌耐撅动和冲击抗过载能力达1600g,但是温度对传感器性能 的影响往往不易消除。在此,我们只考虑环境温度T的影响,将传感 器的输出当作一个二元函数y=f(x,T)来处理,介绍修正传感器非 线性误差的方法。 修正传感器输入一输出特性非线性和由温度引起的灵敏度变化 的方法分硬件法(通过电路或机械修正)和软件法(利用计算机的运 算功能进行修正)。前者实时性强但复杂,不易实现。后者具有普遍 意义,在应用计算机的传感器系统中,不必附加特殊的硬件但实时 性稍差(随者高速微处理器的发展,其实时性可满足应用要求)。 采用计算机修正非线性误差的原理框图如图1.1所示,传感器 感受物理量x输出y。y经接口电路变换为计算机可接收的Y,接口 电路的类型取决于y的性质,可用模拟/数宇字转换器(ADC)或频率/ 数字转换器(FDC)等为了补偿由温度引起的非线性误差在传感器 敏感元件内(或附近)安装一个测温元件,以感受传感器的工作环境 温度T。测温元件的输出经ADC转换为与温度T有关的数字量a 补偿后的传感器系统输出为Y。 为了修正传感器的非线性误差需要预先精确标定传感器,即在 序列校准温度下测出x~y的特性,从而得到函数y=f(x,t),然 后将此函数关系存贮在计算机的数据区或编人程序中,传感器正常 工作时,计算机接收未经修正的传感器输出Y和与环境温度一一对 应的数字量,用一定的算法从预先存贮的y和x、T的函数关系中 计算出与现时刻Y、6对应的被测量X(X为x的数字量表达)再乘
感器上一接口电路 计算 测温元件 以规定的比例系数k即得到标准输出Y,=k·X。 通常,修正非线性误差软件的算法有分段插值修正法和整体拟 合修正法,这些方面在《计算方法》等有关书籍中有详细叙述,本书不 再赞述 1.2.2零位补偿 由于元件老化、电路参数不对称和其他不稳定因素,传感器往往 有零位输出(或称零位偏差)在应用微计算机的传感器系统中零位 补偿方法很简单。设传感器系统输出 (1.2) 式中x为被测物理量,k为比例系数,y。为零位输出y为零位补偿 量。传感器正常工作前(即准备时间内)进行零位贮存。其方法是:使 输入x和补偿量y为零,这时传感器系统输出 (1.3 即为零位输出(模拟量或数字量)。将此零位输出(数字化后)暂存于 计算机的存贮单元内,并使补偿量 (].4) 由式(1.2)和(1,4)可知,传感器正常工作后 y=kr (1.5 实现了零位补偿 对于非电量的输入,往往雄以提供零输入信号,对于这类传感
器要采取特殊的方法才能实现传感器的零位补偿。例如,压电射流 速率传感器,其实际载体(如舰船、坦克和飞机等)很难提供零角速率 输入我们采用控制压电泵使比例系数k为零的方法(详见§2.1), 实现零位采集与贮存,从而实现零位补偿 1.2.3零位沮度漂移补偿 传感器的零位输出往芢随工作温度变化而漂移。补偿零位温度 漂移的一般方法是:标定未补偿的传感器时,在传感器内靠近敏感元 件处安装一个测温元件(参见1,2,1节中图1.1),测出传感器零位 输出与温度变化的关系曲线。一般情况下这条曲线可用一个多项式 来逼近即可表达成 y=a△0+a1△萨2+ 式中,△y为零位温度漂移,a、a、…为温度误差系数,△e为实际工 作温度与标准温度之差。若不能用一个多项式表达,则可表达成△y △6的数据表格形式并存贮在计算机的数据区。传感器正常工作 时,计算机根据其接收到的0每隔一定时间,计算出当时刻与前一 讨刻的θ之差△并用式(1.6)求出(或查表并用插值法计算出)对 应的△ya,然后反极性叠加在零位补偿量上并输出,这样就补偿了零 位温度漂移 但是对于工作环境温度变化较大的应用场合实际传感器的零 位温度漂移往往难以精确测定并建立数学模型,因此,往往采取其他 措施如将传感器置于恒温小环境中,来减小温度漂移 §1.3滤波 传感器的输出信号中往往含有动态噪声,如果信号的频带和噪 声的频带不重合,则可用滤波器消除噪声。滤波器按滤波方法可分为 模拟滤波器和数字滤波器,后者与前者相比,实时性较差但稳定性 和重复性好能在模拟滤波器不能实现的频带下进行滤波。例如,压
电射流速率传感器的有效输出信号是直流信号激励压电泵用的自 激振荡器与信号放大器之间的电朝合使输出信号中含有频率为 3kHz以上的噪声,我们在初级放大器后接入有源低通模拟滤波器 即可消除这种操声。但是,对于敏感元件本身产生的颗率为 0.01~10Hz的低频噪声,由于要实现这么低的截止频率的模拟滤波 器是困难的因此,我们用自适应数字滤波方法,取得良好的滤波效 §1,4噪声抻制 当信号和噪声的频带重叠或噪声的幅度比信号大时,仅用滤波 就无能为力了但只要能弄清楚信号和噪声的动态特性,就可以把信 号从噪声中分离出来,这就是我们所说的噪声抑制。下面介绍几种实 用的噪声抑制方法 1.4,I差动法 差动法是使用两个动特性和静持性相同的敏感元件,接成差动 形式,从而得到输出信号。这样.同相位输入的噪声就不在输出倍号 中出现。但差动法对敏感元件内部产生的噪声无能为力 1.42平均响应法 平均响应法又称相位检波或同步加算平均法,是利用信号自相 关的性质检出信号,适用于周期已知的信号,噪声与信号混在一起的 波形如图1.2所示在时间轴上按信号的周期分段,采用同步输出取 样相加,即同相位相加N次,从原理上讲,噪声是无规则的,而信号 是周期性的,所以信噪比提高√N倍图1.3示出通过平均响应法使 夹杂在不规则噪声中的信号得到加强而被分离的例子