棉花检验仪器测量误差分析与处理

2016-06-02徐天旻

中国棉花加工 2016年2期

关键词：系统误差测量误差仪器

徐天旻

〔安徽省联通公司，安徽合肥230000〕

棉花检验仪器测量误差分析与处理

徐天旻

〔安徽省联通公司，安徽合肥230000〕

一、棉检仪器的基本结构

棉检仪器为二次仪表，具有典型的DSP（数字信号处理）非电量检测系统结构。棉检系统结构如图1所示。

图1　棉检系统结构图

传感器拾取被测参量（棉花或谷物的温度、水分、灰度、纤维等信息）并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由微处理器μPC逐路选通模拟开关，将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入μPC；μPC根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）；处理结果被转换为相应的数据进行显示和打印；μPC把运算结果存于片内Flash ROM。同时利用μPC串口以GPRS的方式无线上传，由服务器对检测数据做出综合判断并存档。

利用GPRS多路无线传输方式，棉检仪器可以完成远程多路、多参数、常时间监控式检测控制。

二、棉检仪器的测量误差

（一）方法误差

方法误差包括理论误差和测量方法误差。因为测量系统的模型基本上是多元高次方程，无实解，所以棉检系统的模型均为近似解。以此得到的测量数据与真值之间必然存在误差，称为理论误差。在测量过程中，由于方法的不同，因此，造成测量结果也不一样。由测量方法不合理造成的误差称为测量方法误差。

（二）仪表误差

由测量仪器的工艺制作和标准仪器的精度引入的误差称为仪器仪表误差。

（三）环境影响误差

因仪器使用环境与其设计使用条件不一致所造成的误差。

（四）人身误差

测量人员的素质引起的误差。

应该注意的是：测量误差是绝对的，但误差不是错误。测量结果中包含的误差恰恰是测量正确和科学的表达。研究测量误差的目的，是要在认识和掌握误差规律的基础上，指导设计、制造和使用测量仪表。对于棉花或谷物这些特定的检测对象，如何降低或减少测量误差，是我们需要认真讨论的问题。

三、棉检仪器测量误差的处理方法

虽然产生误差的原因多种多样，但是根据测量误差的性质，测量误差可分为随机误差、系统误差、粗大误差三类。

（一）随机误差的纠正

随机误差是指在相同测量条件下，多次重复测量同一量值时，每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差。当测量次数足够多时，随机误差服从统计规律。由于大多数随机误差服从高斯分布，因此，可以采用数理统计的方法来分析估算随机误差。工程上则可对被测量进行多次重复测量的算术平均值表示被测量的真值，即：

式中：N——测量次数；

xi——测量值。

系统误差在测试之前就已经存在。指在同一条件下，多次重复测试同一量时，测量结果按一定规律出现的误差。系统误差决定了测量的准确度。系统误差越小，测量结果越准确。系统误差具有可控制性和修正性。在检测系统软件设计中，可以采用比较修正和误差补偿的方法对系统误差进行校正，达到良好的效果。

（二）粗大误差

指测量值明显与实际值不符的误差。这种误差是人为的，粗心大意产生的误差。对此类误差，只能采取提高操作人员责任心，或在仪器上增加异常报警装置等方式加以解决。在测量软件中预置了置信概率，确定相应的置信区间，凡超过置信区间的误差就认为是粗大误差。

（三）标准计量仪表误差

通用电工测量仪表是对棉检仪器的的检定和校正，是棉检仪器的标准，对棉检仪器的设计生产至关重要。其实，从设计理念上来分析，两者电路程式是一样的，其精度和测量误差产生的原因也是一样的。那么，用电工测量仪表对同一种精度要求的棉检仪器完成检定是一种不可信的做法。另外，针对棉检仪器的特殊性，电工测量仪表的数据采集手段亦值得商榷。由于现代棉检仪器处理及输出的基本都是数字化信息，因此，使用常规的磁电式信号采集方式必然带来较大的系统误差。而现在常用的所谓数字化测量仪表，仅仅是处理显示数字化了，对前端信号采集仍然采用模拟信号的方式，这里的弊病不言而喻。

（四）棉检传感器误差及解决办法

传感器是棉检仪器对环境的唯一接口，是完成能量表现形式转换的重要部件。因为传感器处于整个棉检系统的最前端，所以传感器本身的转换误差直接决定了棉检仪器的性能。

棉检传感器静态特性引起的误差主要是非线性误差。比如测量棉包温度用的测温传感器几乎无例外的都是半导体PN结，而PN结是一种典型的非线性器件。静态误差还包括迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差、温漂等。

动态特性是指棉检传感器对随测量时间变化的响应特性，或者说传感器的输出量是时间的函数，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。

为了降低棉检仪器的误差，笔者对传感器采用了信息融合技术SDF（Sensor Data Fusion）。传感器信息融合又称数据融合，指将经过集成处理的多传感器信息进行合成，形成一种对外部环境或被测对象某一特征的表达方式。SDF从多信息的视角进行处理及综合，得到各种信息的内在联系和规律，从而剔除无用的和错误的信息，保留正确的和有用的成分，最终实现信息的优化。

数字传感器可直接或间接得到数字量。现有的棉检仪器大多数采用的是间接式数字量传感器，而间接式数字量传感器只能通过A/D转换器得到数字量输出。数据的量化过程就会产生量化误差，对常用的8位嵌入式处理机，其最高分辨率在4‰左右。对于棉花的某些参数，此精度是不能够达到要求的。解决量化误差的根本办法是提高A/D转换器的分辨率，笔者在设计棉检类仪器的过程中，采用了至少12位的ADC和低功耗的16位微处理机。另外，为了提高频率式数字量传感器的分辨率，还采用了倍频处理方式。

四、棉花检测仪器中的抗干扰技术

棉花检测仪器中的抗干扰技术是减少测量误差的必要手段。

（一）干扰的概念

除了检测系统所需要的信息，其它任何对系统产生附加影响的信号统称干扰（噪声）。干扰源、传播途径及干扰对象构成了干扰系统的三个要素。

检测系统需要的信号强度十分微弱，而且工作环境恶劣，系统不可避免地受到各种干扰信号，干扰是客观存在不可避免的。抗干扰技术就是要分清干扰源、传播途径，以及干扰的作用方式，达到降低干扰的目的。

棉检仪器的外部干扰主要是外部电磁波干扰；而内部干扰则是由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的。如分布电容、分布电感引起的耦合感应；电磁场辐射感应；长线传输的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；寄生振荡引起的干扰以及元件热噪声、散粒噪声等。传播途径引起的干扰主要是信号的耦合方式引起的各种频率的电磁波的交集。针对干扰形成的原因，笔者提出了下列处理方式。

（二）内外电磁波干扰的处理方式

PCB板以及引线之间会构成分布电容，产生静电耦合，形成窜扰。系统存在着公共耦合阻抗，例如电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等，同时，各汇流条之间具有电容，数字脉冲可通过此电容耦合。

输入信号的差模干扰亦属串扰，可以采用增强屏蔽、减少空间磁耦合，降低长线传输的互感、提高滤波效果的方法加以解决。而抗共模干扰应尽量采用差动输入方式，同时尽量采用信号隔离技术。

输入信号在长线中传输会遇到三个问题：高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象；具有信号延时；长线传输受外界干扰较大。浮地屏蔽是指信号放大器采用双层屏蔽，输入为悬浮双端输入，使共模输入阻抗大为提高，浮地屏蔽技术有效地抑制了共模干扰和长线干扰。为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法。

另外，要增强电源抗干扰技术，应合理采用接地方式。

（三）软件抗干扰的概念

采用数字滤波方式，滤除干扰信号。由于采用了程序实现滤波，因此无需硬件器件，不受外界的影响，也无参数变化等问题。数字滤波还可以根据信号和干扰的不同，采用不同的滤波方法和滤波参数。

采用指令冗余技术，当工业现场出现瞬时尖峰高能电磁脉冲干扰，使正在执行的程序“跑飞”时，指令冗余将跑飞的程序很快地纳入程序轨道。当跑飞的程序落到非程序区时，则采取的措施是设立软件陷阱。合理使用Watchdog（看门狗），强制系统复位，摆脱死循环。

建立检测系统可靠性模型，进行软件可靠性设计。采用软件容错设计技术。软件容错是指在软件故障的情况下，系统仍能在预定条件下和预定时间内正确运行的能力。

进行信息保护、身份识别以及信息编码与加密，也是抗干扰，防止硬件故障、软件错误和人为因素等原因引起的信息破坏的基本方法。