摘 要：溫度傳感器在一個個區(qū)段內(nèi)的特性基本上是線性的。在使用一段時間以后，容易產(chǎn)生零點漂移和線性改變，本文介紹了采用計算機技術(shù)，利用軟件的方法進行零點補償和線性修正的原理、方法，并給出了數(shù)學模型和實例。該技術(shù)在以單片機為核心的智能儀表中可以廣泛的采用。它能夠降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和使用、維護成本。 
1、 引言 
儀表的維護、調(diào)校需要專業(yè)的人員進行。尤其是在需要調(diào)整儀表內(nèi)部電位器的時候。這項工作除了需要操作人員具備一定的專業(yè)知識外，還要使用的專業(yè)測試、調(diào)整工具。社會生產(chǎn)、生活逐漸進入自動化的時代，這些原始的工作也應(yīng)該隨著技術(shù)的發(fā)展逐漸被自動化技術(shù)所代替。 
2、溫度傳感器的零點漂移和線性改變的原理 
以線性PN結(jié)溫度傳感器為例，畫出圖1的零點與線性改變示意圖。 

設(shè)圖1是一個溫度--電勢特性曲線圖，橫軸X為電勢值，縱軸Y為溫度值。 
設(shè)直線①是理想的或者是出廠標定好的溫度傳感器特性曲線。其上A1、A2兩點的坐標為（x1,y1）、（x2,y2）,可以使用“兩點式”方法得到它的方程為： 

這是一個典型的直線方程，其中k為直線①的斜率，c為x=0時直線①中y的偏移量。 
設(shè)直線②是傳感器使用一段時間后，直線①的偏移。 
同理，直線②的方程同樣可以使用“兩點式”方法得到： 

這也是一個直線方程，其中k’為直線②的斜率，c’為x=0時直線②中y的偏移量。 
將⑵式和⑷式比較可知，直線①和直線②的區(qū)別就是斜率k和 k’、偏移量 c和c’的區(qū)別。這個區(qū)別直接的改變了和y的x對應(yīng)關(guān)系。 
直線⑴產(chǎn)生漂移后，設(shè)斜率和偏移量分別漂移了Δk和Δc： 

這樣，直線①就變成了直線②。 
我們把Δk稱為線性漂移；把Δc稱零點漂移。 
3、零點漂移和線性改變的誤差 
傳感器漂移后，影響了測量結(jié)果的度。根據(jù)漂移量可以計算出它的影響量。 
設(shè)原特性直線的偏移和斜率分別為c和k，則特性方程為： 

在整個量程的不同點上，這個誤差的值是不固定的，其zui大值通常在量程的兩端。 
4、漂移值的測定 
之所以出現(xiàn)漂移，其根本原因在于：傳感器的信號輸出值與開始的標定值出現(xiàn)了偏差，如果能確定當時狀態(tài)下的結(jié)果，也就是y的值，那么測定的傳感器輸出值就是真實的x值。如果在量程內(nèi)的兩個點上（y1,y2），測出傳感器的對應(yīng)輸出（x1,x2），就又得到了新的兩個坐標點，利用這兩個坐標，采用兩點式方程，就會得到漂移以后的新的方程，這個方程是根據(jù)傳感器的新輸出而得出的正確的測量結(jié)果。 
5、解決零點漂移和線性改變的數(shù)學模型 
為切合實際，我們?yōu)閭鞲衅鞯妮敵鲋狄階/D轉(zhuǎn)換器表示方式。也就是數(shù)字表達方式2。 
設(shè)測量系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器滿量程為2n-1，n為A/D轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)。 
設(shè)測量系統(tǒng)的量程為S，測量范圍為：s1—s2，于是該系統(tǒng)的測量量程即為： 

A/D轉(zhuǎn)換器輸出值和測量值的對應(yīng)關(guān)系如表1所示： 

其中，x為實測的傳感器輸出的A/D轉(zhuǎn)換器的值。 
有了這個方程，對于任意x，總能計算出測量結(jié)果y。即形成符合方程⑻的（x，y）對應(yīng)的坐標。 
在傳感器發(fā)生漂移后，已知測量結(jié)果1，設(shè)為y1，如果x出現(xiàn)了變化，設(shè)為x+Δx=x1，我們就可以以（x1，y1）為一個坐標點，另以實測的（x2，y2）為另一個坐標點，使用兩點式方程，得到方程⑴，整理后得方程⑵。 
就會利用重新建立的方程得到正確的結(jié)果。 
這個結(jié)果即是糾正了零點漂移和線性漂移以后的正確的結(jié)果。 
6、解決零點漂移和線性改變的實例 
6.1、測定零點漂移，確定*組坐標。 
將傳感器放入冰桶中，理想狀態(tài)下或者出廠校正后，應(yīng)該為0℃，即y1=0，測得的傳感器輸出為x1，這樣就得到了*組坐標（x1,0）。 
6.2、測量線性漂移，確定第二組坐標。 
將標準水銀溫度計和傳感器放在同一位置，這時水銀溫度計讀書和實測值可能會有一個偏差，這時，傳感器輸出為x2，可有方程⑵逆算得出： 

在這里，k、c均為尚未校正時的方程參數(shù)。而y則為水銀計的讀數(shù)，記為y2。 
這是我們又得到了第二組坐標（x2,y2）。 
以上取得的兩個坐標，是漂移后的傳感器輸出和實際測量值之間的關(guān)系，用兩點式方程獲得新的y和x之間的關(guān)系方程，作為今后測量的計算標準。 
7、使用VB6.0設(shè)計的校正軟件： 



8、成本分析 
8.1、生產(chǎn)成本： 
該校正技術(shù)使用純軟件計算的方法，和硬件無關(guān)。使用單片機或者計算機控制的智能儀器儀表，在硬件設(shè)計時會留有足夠的程序存儲空間，因此該成本已經(jīng)包括到原來設(shè)計的系統(tǒng)中，可以不計算在內(nèi)。*的成本就是軟件設(shè)計成本，該軟件可以用子程序的方式做成標準的模塊，一旦設(shè)計完成，也幾乎不存在生產(chǎn)成本。 
該類產(chǎn)品或系統(tǒng)如按照通常的技術(shù)進行設(shè)計，要在前置放大環(huán)節(jié)設(shè)置零點和量程調(diào)整電位器，而且必須是精密多圈電位器。采用自動校正技術(shù)后，可以省略掉電位器而直接用固定值的精密電阻代替，單純從這個代換上計算，就一般的溫度巡檢系統(tǒng)而言會節(jié)約近6倍的材料成本。 
8.2、使用成本： 
儀器儀表維護時，要使用標準儀器測量，然后調(diào)整被測儀器儀表的內(nèi)部電位器來校正漂移。但是，有些傳感器的漂移量太大，即使調(diào)整電位器也不能讓其達到規(guī)定的精度，這時只有更換傳感器。有些傳感器的安裝位置和方式非常特殊，更換起來耗時較多，甚至還要停止正常的測量作業(yè)。采用自動校正技術(shù)，可以延長這些傳感器的使用壽命3倍以上，大大降低了使用成本。 
9、結(jié)語 
對于壓力、流量、物位等傳感器，同樣存在著零點漂移和線性改變的問題。該技術(shù)在與傳感器的特性分析配合后，稍作改變即可以應(yīng)用。另外，我們僅分析了線性系統(tǒng)的校正技術(shù)，對于非線性系統(tǒng)，同樣也可以用修改數(shù)學模型的方法來進行漂移校正。 
單片機技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)檢測與控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用，建議有必要把這個技術(shù)作為一個標準嵌入到這些微系統(tǒng)中。 
在一些不便于頻繁更換傳感器的場合，會增加系統(tǒng)的運行可靠性。例如，在易燃易爆品倉庫，可以避免很多危險的發(fā)生。 
這種校正仍然需要冰桶和水銀溫度計，今后是否可以考慮在有些儀器儀表內(nèi)部設(shè)置標準源，進行無外界干預的、全自動的校正，需要進行繼續(xù)的研究、實踐。 


作者簡介 
劉賢鍇；男；1963年12月生；大學本科學歷，工程師（2004年改系列為副教授）。1984年7月畢業(yè)于上海理工大學自動化工程系計算機應(yīng)用專業(yè)。現(xiàn)為山東政法學院司法信息系副教授。曾主持國家“七五”攻關(guān)項目：自動化儀表75-53-02-26。曾獲得原機械電子工業(yè)部的“科技青年”稱號。現(xiàn)主要從事工業(yè)過程檢測與控制的教學與科研。