浅谈检测系统的线性化处理

摘　要：检测系统的组建要考虑的一个问题就是线性化及处理。基于此，浅析检测系统非线性产生的原因，介绍对检测系统和装置输出和输入量之间非线性关系进行处理的几种方法，以期在实际应用中优化检测系统的性能、减小测量误差。

关键词：检测系统；非线性；传感器

中图分类号：O4-34 文献标志码：A 文章编号：1000-8772（2012）19-0140-01

在工程测试中，力求测试结果能定性定量地表示出被测量，为了方便地标定和数据处理，便于检测系统的制造、调校和使用，通常希望检测系统有线性输出。但是实际的检测系统输入输出关系往往呈现出非线性特性，为了提高测量精度，增大测量范围，减小读数误差，则有必要对检测系统进行线性化处理。

1　传感器的非线性误差及其处理

传感器是检测系统的最前沿装置，它的特性往往影响整个检测系统的性能优劣，理想的传感器输入输出关系是呈线性关系，但绝大部分传感器的输出量与被测量之间的关系是非线性的。造成非线性的原因主要有：（1）传感器的转换原理为非线性，例如：热电偶测温，其热电势与温度之间的关系为非线性；热电阻输出的电阻变化量与温度之间的关系为非线性；在流量检测中，孔板输出的差压与流量之间也呈非线性。（2）传感器结构参数等因素引起的非线性，例如：应变式传感器测压力时弹性元件的挠性模变引起的非线性；电感式传感器，磁性材料的磁化曲线呈非线性等。（3）传感器的间隙、松动、摩擦、蠕变以及外界条件的影响造成非线性。

为了得到较好的输入—输出线性关系，在传感器的选用上应尽可能选取适合的转换原理呈线性关系的传感器。

适当减小测量范围以提高测量系统的线性度，很多传感器在全量程的测量中，输入输出特性曲线呈非线性，特别是在量程的较小和较大区域，非线性特性明显。在情况允许的条件下，可取非线性曲线上线性比较好的一段，这种选取与检测系统测量精度的要求有关，当精度要求不太高的情况下，可以在相当宽的范围内都可近似为线性关系，精度要求越高，线性范围越窄。当测量范围与精度要求不可取舍的情况下，则可利用多传感器进行非线性补偿，例如在进行湿度测量时，为了扩大湿度测量范围，将多个LiCl含量不同的湿敏电阻组合使用，将测量范围分别为（10%～20%）RH、（20%～40%）RH、（40%～70%）RH、（70%～90%）RH、（80%～99%）RH这五个器件配合使用，就可自动转换成整个湿度范围的湿度测量；如磁敏二极管，其输入输出特性曲线在磁场正向与反向时不对称，正向灵敏度大，反向时小，若采用特性相近的两只磁敏二极管按相反磁极性组合，或采用磁敏对管，则磁场正、反向时特性曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。

目前，普遍利用校准数据来建立传感器的数学模型，通常用实际测出的输入—输出校准曲线与某一直线的拟合程度来给出线性度，即非线性误差。所以，这条拟合直线的选取不同，得到的非线性误差也不同，拟合直线包括理论直线、端点连线拟合、端点平移拟合、过零旋转拟合、最小二乘法拟合和最佳直线拟合等。要得到较好的线性关系，减小测量误差，在传感器的静态标定时，选用的拟合直线十分重要，一般，选用能得到最小线性度的拟合直线为最佳拟合直线。

2　检测电路中的非线性及线性化处理

在检测系统中，为了把传感器输出的信号转换成为有用的电信号，需要各种转换电路，较常用的有电桥电路、放大电路、积分微分电路、滤波电路、u/I、i/U、U/F、F/U等转换电路。转换电路的输入输出关系的非线性将给传感器系统带来额外的非线性误差，例如在应变式测力系统中，工程上为了使用方便，减小测量前的准备调试工作，提高测量效率，仍采用单臂测量电桥；转换电路中二极管伏安特性的非线性；调频、调相式电路输出的非线性等。

一般在测量转换电路的选取上，需要选用转换特性呈线性、转换灵敏度高的电路，采用半桥全桥测量电路来减小和消除非线性误差；采用运算放大器式电路来消除单个变极距式电容传感器的非线性。

在转换关系为非线性的传感器系统中，增加非线性补偿环节，以改善检测系统整体的非线性。线性化补偿环节可用硬件实现也可用软件实现，硬件补偿目前常用的有二极管阵列开方器、各种对数、指数、三角函数运算放大器、非线性A/D转换等，传感器的专用线性化集成电路以及通用的线性化处理电路，下图即为一种二次分段线性化通用电路。

随着计算机技术与电子技术的融合，软件实现线性化处理常用的方法有线性查值法、差表法、二次曲线插值法等方法，由软件实现非线性的补偿不存在硬件补偿环节的电路复杂、调试困难、精度低、通用性差的特点，不需要再对改善每个环节的非线性特性而耗费精力，不论测量系统中任一测量环节的非线性多严重，均能自动地按对应的反非线性特性进行转换，实现理想的输入输出理想的直线关系。

（责任编辑：张娟）