减小噪声干扰的热敏电阻传感器动态测量误差补偿

　　1　引　言

　　热敏电阻作为测温传感器,具有成本低、接口简单、输出信号大等优点,在点温或温限控制系统中有广泛的应用。但是,热敏电阻的温度传感特性存在严重的静态非线性和动态响应滞后等问题。后者在许多应用中可以忽略。然而,当被测量的温度变化速度高于传感器的响应速度时,如果忽略响应滞后会使测量结果与真值之间存在较大误差,如:利用热敏电阻测量材料的热特性[1]。在各种测量系统中,为了保证热敏电阻的测量精度,必须对静态特性线性化和对动态响应滞后进行补偿。热敏电阻阻值R(t)与温度T(t)之间的静态特性可表示为

　　两者之间存在严重非线性,为了保证测量精度,必须对其非线性静态特性进行线性化。线性化过程可以通过查表、多项式以及最小二乘法拟合和神经网络泛化的方法解决[2]。对热敏电阻响应滞后产生的动态测量误差,可以通过串接一个动态补偿环节的方法来解决[3]。动态补偿环节在本质上是一个数字滤波器,滤波器的作用是通过增加传感器的带宽来改善传感器的动态特性,以减小滞后误差。所以,动态补偿环节必须采用带通或高通滤波器[3],补偿环节在改善传感器动态特性的同时会引起严重的噪声放大,影响测量系统的精度。此外,在测量系统中传递的信号是瞬变的,适用于静态信号的平均滤波和中值滤波在此都无法使用。

　　为此,本文对在噪声环境下热敏电阻传感器动态测量误差的补偿方法进行了研究,该方法在采用实验数据得到动态补偿环节系数的同时,还采用多项式预测和中值滤波相结合的方法减小测量系统的噪声。仿真实验验证了该方法的有效性。

　　2　动态测量误差补偿

　　热敏电阻动态测量误差的补偿原理如图1所示,热敏电阻传感器的输出为电阻值,当被测量的温度变化率较低时,用传感器输出的阻值R表示测量温度T,不存在滞后和衰减。而当被测温度变化速度高于传感器响应速度时,输出的阻值R存在滞后和衰减,使得热敏电阻的输出R(t)无法表示真实的测量值T(t)。如果要对T(t)进行测量,通常必须等很长时间才能得到其稳态结果。为了改善传感器的响应速度,必须串联一个动态补偿环节(逆滤波器),以增加传感器的带宽。为了减少设计逆滤波器H-1(S)时对传感器动态特性的数学模型的依赖,可采用通过实验数据建立逆滤波器的方法。该方法是将逆滤波器的设计问题转化为一个最优化问题,具体描述如下。线性逆滤波器H-1(S)在理想情况下应采用高通滤波器,但是,高通滤波器会引起严重的噪声放大,因此,这里采用了带通滤波器[3],滤波器的输出Re(t)可用一个线性差分方程表示: