Линеаризация на характеристиките на сензора

Линеаризация на характеристиките на сензора — нелинейно преобразуване на изходната стойност на сензора или пропорционално на него количество (аналогово или цифрово), чрез което се постига линейна връзка между измерената стойност и стойността, която я представлява.

С помощта на линеаризация е възможно да се постигне линейност на скалата на вторичното устройство, към което е свързан сензор с нелинейна характеристика (например термодвойка, термично съпротивление, газов анализатор, разходомер и др.). Линеаризацията на характеристиките на сензора дава възможност да се получи необходимата точност на измерване чрез вторични устройства с цифров изход. Това е необходимо в някои случаи при свързване на сензори към записващи устройства или при извършване на математически операции върху измерената стойност (например интеграция).

По отношение на характеристиката на енкодера линеаризацията действа като обратна функционална трансформация. Ако характеристиката на сензора е представена като y = F (a + бx), където x е измерената стойност, a и b са константи, тогава характеристиката на линеаризатора, свързан последователно със сензора (фиг. 1), трябва да изглежда така: z = kF (y), където F е обратната функция на F.

В резултат на това изходът на линеаризатора ще бъде z = kF(F (a + bx)) = a ‘ + b’x, т.е.линейна функция на измерената стойност.

Ориз. 1. Обобщена линеаризационна блокова диаграма: D — сензор, L — линеаризатор.

Освен това, чрез мащабиране, зависимостта z се редуцира до формата z ‘= mx, където м Подходящият мащабен фактор. Ако линеаризацията се извършва по компенсаторен начин, т.е.на базата на серво система като Фиг. 2, тогава характеристиката на линеаризиращия функционален преобразувател трябва да бъде подобна на характеристиката на сензора z = cF (a + bx), тъй като линеаризираната стойност на измерената стойност се взема от входа на преобразувателя на функционалния линеаризатор и неговия изход се сравнява с изходната стойност на сензора.

Характерна особеност на линеаризаторите като функционални преобразуватели е относително тесен клас възпроизведени от тях зависимости, ограничен до монотонни функции, който се определя от типа характеристики на сензорите.

Ориз. 2. Блокова диаграма на линеаризация, базирана на системата за проследяване: D — сензор, U — усилвател (преобразувател), FP — функционален преобразувател.

Линеаризаторите могат да бъдат класифицирани по следните критерии:

1. По метода на задаване на функцията: пространствени под формата на шаблони, матрици и т.н., под формата на комбинация от нелинейни елементи, под формата на цифров алгоритъм за изчисляване, устройства.

2. По степента на гъвкавост на схемата: универсална (т.е. преконфигурируема) и специализирана.

3. По естеството на структурната диаграма: отворен (фиг. 1) и компенсационен (фиг. 2) тип.

4. Под формата на входни и изходни стойности: аналогови, цифрови, смесени (аналогово-цифрови и цифрово-аналогови).

5. По вида на елементите, използвани във веригата: механични, електромеханични, магнитни, електронни и др.

Линеаризаторите с пространствена настройка на функцията включват преди всичко механизми на гърбици, шарки и нелинейни потенциометри. Те се използват в случаите, когато измерената стойност на всеки етап на преобразуване се представя под формата на механично движение (гърбици — за линеаризиране на характеристиките на манометрични и трансформаторни сензори, модели — в записващи устройства, нелинейни потенциометри — в потенциални и мостови вериги).

Нелинейността на характеристиките на потенциометъра се постига чрез навиване върху профилирани рамки и сечение с помощта на метода на линейно приближение на парчета чрез маневриране на секциите с подходящи съпротивления.

В линеаризатор, базиран на електромеханична серво система от потенциометричен тип, използващ нелинеен потенциометър (фиг. 3), линеаризираната стойност се появява като ъгъл на въртене или механично изместване. Тези линеаризатори са прости, универсални и широко използвани в централизирани системи за управление.

Ориз. 3. Линеаризатор за електромеханична серво система от потенциометричен тип: D — сензор с изход под формата на DC напрежение, Y — усилвател, M — електродвигател.

В параметричните функционални преобразуватели се използват нелинейности на характеристиките на отделни елементи (електронни, магнитни, термични и др.). Между функционалните зависимости, които те разработват, и характеристиките на сензорите обаче обикновено не е възможно да се постигне пълно съвпадение.

Алгоритмичният начин за настройка на функция се използва в цифрови функционални преобразуватели. Техните предимства са висока точност и стабилност на характеристиките. Те използват математическите свойства на отделните функционални зависимости или принципа на линейно приближение на части. Например, парабола се разработва въз основа и свойствата на квадратите на цели числа.

Например, цифров линеаризатор се основава на метода на линейно сближаване на парчета, който работи на принципа на запълване на приближаващите сегменти с импулси с различни честоти на повторение. Честотите на пълнене се променят в скокове в граничните точки на приближаващите сегменти според програмата, вмъкната в устройството в съответствие с типа нелинейност. След това линеаризираното количество се преобразува в единен код.

Частично линейно приближение на нелинейността може да се извърши и чрез цифров линеен интерполатор. В този случай честотите на запълване на интерполационните интервали остават постоянни само средно.

Предимствата на цифровите линеаризатори, базирани на метода на линейно сближаване на части, са: лекота на преконфигуриране на натрупаната нелинейност и скоростта на превключване от една нелинейност към друга, което е особено важно при високоскоростни централизирани системи за управление.

В сложни системи за управление, съдържащи универсални калкулатори, машини, линеаризацията може да се извърши директно от тези машини, в които функцията е вградена под формата на съответна подпрограма.