摘要：電子水表是水表產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，而傳感與信號(hào)處理技術(shù)又是電子水表的關(guān)鍵核心技術(shù)。文章對(duì)當(dāng)今電子水表的傳感技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)作了概述性描述，同時(shí)結(jié)合國外在該方面的最新產(chǎn)品資料和專利文獻(xiàn)對(duì)電子水表相關(guān)技術(shù)作了有選擇的專題介紹，并對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢提出了看法與意見。
關(guān)鍵詞：水表 電子水表 傳感技術(shù) 信號(hào)處理技術(shù) 發(fā)展趨勢
一．概 述
GB/ 778.1～3-2007《封閉管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表》（idt ISO 4064：2005）標(biāo)準(zhǔn)從結(jié)構(gòu)與技術(shù)上將水表產(chǎn)品分成三大類，即：“機(jī)械水表”、“帶電子裝置水表”和“電子水表”。機(jī)械水表常指傳統(tǒng)概念上的水表，它使用面最廣，使用量最大，以速度式和容積式測量原理為主，絕大多數(shù)采用葉輪（旋翼或螺翼）式多流、單流束結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)活塞式結(jié)構(gòu)；帶電子裝置水表是在原有機(jī)械水表基礎(chǔ)上增加電子部件，擴(kuò)大產(chǎn)品使用功能而構(gòu)成的新型水表（國內(nèi)通常稱其為“智能水表”）；電子水表是采用新型傳感原理及現(xiàn)代流量計(jì)相關(guān)技術(shù)的全新水表，目前主要由速度式的電磁水表、超聲水表、射流水表、渦街水表等構(gòu)成。
電子水表由于采用了新型傳感技術(shù)、微弱信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，因此具有較寬的測量范圍、較高的計(jì)量等級(jí)、較低的壓力損失以及方便的數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸功能，其主要性能指標(biāo)要優(yōu)于機(jī)械水表和帶電子裝置水表。隨著產(chǎn)品可靠性和使用壽命（含電池壽命）的不斷提高，產(chǎn)品成本的不斷下降，電子水表將日益顯示出優(yōu)越的性價(jià)比和豐富多樣的使用功能，并且有著很好的發(fā)展前景和很大的發(fā)展空間。
二．技術(shù)特征
現(xiàn)代流量計(jì)產(chǎn)品及其技術(shù)在過去很長一段時(shí)間內(nèi)主要用于大口徑封閉管道中的流量測量和控制。可能因?yàn)樗膬r(jià)格較高、體積較大、需交流電源供電、在測量精度較高時(shí)量程范圍較窄以及小流量特性不很理想等原因，在原ISO標(biāo)準(zhǔn)和國家水表相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未將其列入水表產(chǎn)品范疇。現(xiàn)代絕大部分流量計(jì)的傳感部分由于無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，直接將流體平均速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因此儀表結(jié)構(gòu)簡單，壓力損失小，使用壽命長；在污水及水質(zhì)不好條件下的計(jì)量、測控等方面的應(yīng)用有著傳統(tǒng)機(jī)械水表不可替代的優(yōu)越性。但采用流量計(jì)技術(shù)的電子水表要全面進(jìn)入并逐步替代傳統(tǒng)水表對(duì)水流量的計(jì)量（特別是在中、小口徑封閉管道的凈水、飲用水計(jì)量等方面），還有不少問題需解決，尚有邁長的路要走，如：流量測量范圍的進(jìn)一步拓展，尤其是提高小流量和低雷諾數(shù)流體的測量靈敏度和穩(wěn)定性，抑噪及抗干擾技術(shù)的運(yùn)用，低功耗或微功耗供電，產(chǎn)品成本下降和可靠性提高，測量數(shù)據(jù)傳輸和管理方式改變，儀表體積小型化等等。
經(jīng)過多年來的不斷完善，中、小口徑電子水表經(jīng)過全面技術(shù)提升，簡化表體結(jié)構(gòu)，使其特性有了較大改觀，產(chǎn)品成本也有大幅下降，部分產(chǎn)品的應(yīng)用已達(dá)到了較為滿意的效果。
下面就當(dāng)前電子水表采用的主要傳感與信號(hào)處理技術(shù)作出簡要介紹和評(píng)述。
1．流量傳感技術(shù)
電子水表當(dāng)前普遍采用的是速度式測量原理，通過檢測水流體在測量管截面上的平均流速求得體積流量或質(zhì)量流量。常用的流量傳感技術(shù)有：
1.1 電磁流量傳感技術(shù)
電磁流量傳感技術(shù)一般用于體積流量測量，其主要特點(diǎn)：傳感器結(jié)構(gòu)簡單，測量管內(nèi)無運(yùn)動(dòng)和阻流部件，流體壓力損失很?。徊皇鼙粶y介質(zhì)的溫度、粘度、密度和水質(zhì)狀況等的影響；傳感信號(hào)只與被測流體的平均流速成正比，而與流動(dòng)狀態(tài)無關(guān)，因此傳感器的量程范圍寬，測量精度高，無機(jī)械慣性，反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性好。其關(guān)鍵技術(shù)為：電極與測量管內(nèi)襯材料選擇、勵(lì)磁方式與抗干擾設(shè)計(jì)以及微弱信號(hào)檢測等。
1.2 超聲流量傳感技術(shù)
超聲流量傳感技術(shù)也用于體積流量測量。傳感部分由超聲波換能器和前級(jí)信號(hào)處理電路組成。換能器將電能轉(zhuǎn)換成超聲波，將其發(fā)射并穿過被測流體，接收器收到超聲波信號(hào)并經(jīng)前級(jí)電路處理轉(zhuǎn)換成代表流量的電信號(hào)。其主要特點(diǎn)是：可在不干擾流體自身運(yùn)動(dòng)情況下測量流速；測量管內(nèi)無運(yùn)動(dòng)和阻流部件，無壓力損失和磨損；對(duì)被測介質(zhì)幾乎無要求，并且測量準(zhǔn)確度不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)影響；測量范圍寬，標(biāo)定方便。
超聲流量傳感技術(shù)按其測量原理可以分為多種測量方法，主要有：傳播速度差法（包括：時(shí)差法、相位差法、頻差法）、多普勒法、波束偏移法、相關(guān)法等等。從測量精度看，傳播速度差法效果較好。
超聲流量傳感技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)：正確處理超聲方法測得的流速線平均值與實(shí)際流量測量所需的流速面平均值的關(guān)系（即不同流速面分布特性對(duì)測量結(jié)果的修正）、聲道的合理設(shè)置、控制聲速在流體測量過程中的變化量、超聲換能技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)等。
1.3 渦街流量傳感技術(shù)
渦街流量傳感技術(shù)是流體振動(dòng)傳感技術(shù)的一種主要形式。它具有：測量管內(nèi)無運(yùn)動(dòng)部件、工作可靠、壽命長；在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，被測流體振動(dòng)頻率只與流體工作狀態(tài)下的體積流量成正比，而對(duì)流體的物理性質(zhì)不敏感；輸出信號(hào)是頻率值，處理比較容易；量程范圍相對(duì)較寬；在符合幾何與動(dòng)力相似條件下，用典型介質(zhì)標(biāo)定即可在其他介質(zhì)中使用等特點(diǎn)。
渦街流量信號(hào)檢測常用的有：檢測流體旋渦壓力變化的“應(yīng)力式”或“應(yīng)變式”測量方法以及檢測流速變化的“熱敏式”或“電磁式”測量方法等。
渦街流量傳感技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)：合理設(shè)計(jì)旋渦發(fā)生體，穩(wěn)定測量管內(nèi)卡曼渦街；信號(hào)檢測與抗干擾（管道振動(dòng)與外界電磁場干擾）技術(shù)；特性修正技術(shù)等。
1.4 射流流量傳感技術(shù)
射流流量傳感技術(shù)是伴隨射流技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新穎流量傳感技術(shù)，其中利用附壁效應(yīng)制成的反饋式流量傳感器已在民用氣表和水表中得到很好應(yīng)用。該技術(shù)主要用于低雷諾數(shù)流體測量（目前雷諾數(shù)測量下限已達(dá)102量級(jí)），在微、小流量檢測中具有明顯優(yōu)勢，而且測量范圍寬，超量程能力強(qiáng)；由于輸出信號(hào)是與流體流速成正比的射流振蕩頻率量，因此流量信號(hào)獲取方便，檢測靈敏度高；應(yīng)用新穎電磁檢測原理的射流流量傳感器，可以消除被測液體中空氣、氣泡和泥沙對(duì)測量結(jié)果的影響；傳感器內(nèi)無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)牢固，不受振動(dòng)和撞擊影響，便于集成化制造。
2．信號(hào)處理與抗干擾技術(shù)
信號(hào)處理與抗干擾是密不可分的關(guān)聯(lián)技術(shù)。任何信號(hào)在處理和傳輸過程中都會(huì)受到檢測電路內(nèi)部產(chǎn)生的固有噪聲和外部的電磁噪聲、機(jī)械振動(dòng)等的影響和干擾，致使信號(hào)（尤其是微弱信號(hào)）不能有效測量和利用。實(shí)際環(huán)境中的噪聲和振動(dòng)是客觀存在的，很難完全消除，但可設(shè)法降低其強(qiáng)度，識(shí)別其特征，進(jìn)行有效抑制。
電子水表在對(duì)微、小流量檢測時(shí)，必然會(huì)碰到微弱信號(hào)處理問題。水表工作現(xiàn)場條件復(fù)雜，甚至非常惡劣，各種電磁干擾和外界影響不可避免，這就需要運(yùn)用各種現(xiàn)代電子技術(shù)來削弱和抑制噪聲，識(shí)別和提取有用信號(hào)。
2.1 噪聲抑制及抗干擾
形成干擾必須具備三個(gè)條件：噪聲源、接受電路、耦合通道。凡是能產(chǎn)生一定電磁能量而且可能影響到周圍電路正常工作的物體或設(shè)備，都可認(rèn)為是電磁噪聲源。抑制噪聲首先應(yīng)找到噪聲源，弄清它的性質(zhì)，然后找出耦合通道，這樣才能有的放矢地加以抑制。
耦合通道主要有：傳導(dǎo)耦合，公共阻抗耦合，電源耦合，近場感應(yīng)耦合及遠(yuǎn)場輻射耦合等幾種。實(shí)際情況比較復(fù)雜，常常是幾種耦合方式同時(shí)存在。電子水表常用的低頻電子電路中，以近場感應(yīng)為主要耦合方式。
抑制電磁干擾的出路不外乎三個(gè)方面，一是削弱噪聲信號(hào)，二是切斷耦合通道，三是提高信號(hào)處理電路本身的抗干擾能力。削弱噪聲和切斷耦合通道的常用方法有：
屏蔽：可以用來控制電場或磁場從空間的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的傳播，這是克服電場耦合干擾、磁場耦合干擾以及電磁輻射干擾的最有效手段。屏蔽的目的是利用導(dǎo)電材料或高導(dǎo)磁率材料來減少磁場、電場或電磁場的強(qiáng)度。屏蔽技術(shù)既可應(yīng)用于對(duì)干擾源的屏蔽，也可應(yīng)用于對(duì)敏感電路的屏蔽。
接地：屏蔽與接地是抑制外來干擾噪聲最基本也是最重要的手段，兩者組合起來，可解決大部分干擾問題。接地方式主要有：輸入信號(hào)回路接地、電源回路接地和數(shù)字系統(tǒng)接地。
隔離：在干擾比較嚴(yán)重場合，隔離是一種非常重要的抑噪措施。對(duì)于不可能實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地原則的場合，或者對(duì)于安全起見兩端必須分別接地的情況，如果測量系統(tǒng)中存在著較大的地電位差噪聲，則隔離是克服這種共模噪聲的最有效措施。隔離技術(shù)主要由：變壓器隔離、光電耦合隔離、隔離放大器等組成。
去耦：用RC或LC濾波環(huán)節(jié)消除或抑制直流回路因負(fù)載變化引起的噪聲，稱為去耦。
2.2 微弱信號(hào)檢測與處理
通常將信號(hào)幅度很小、而且被噪聲淹沒的信號(hào)稱作為微弱信號(hào)，一般來說，“微弱”是相對(duì)于噪聲而言的。微弱信號(hào)檢測技術(shù)注重的是如何抑制噪聲和提高信噪比。為了表征噪聲對(duì)信號(hào)的覆蓋程度，引入信噪比SNR的概念。
對(duì)于各種被測量，通常先由傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大器的放大而得到測量結(jié)果或預(yù)結(jié)果。但如果被測信號(hào)很微弱，那么傳感器的本底噪聲、電路及測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾等往往會(huì)比有用信號(hào)幅度大的多，在放大被測信號(hào)過程中同時(shí)也放大了噪聲電平。
電子水表與帶電子裝置水表的最大區(qū)別之一是，帶電子裝置水表其基表部分輸出的是脈沖恒定幅值信號(hào)或編碼信號(hào)，雖然其中也有干擾存在，但因是數(shù)字（頻率）量，分離有用信號(hào)要容易的多，且信噪比很高；電子水表檢測到的常常是模擬低頻小信號(hào)，特別在小流量檢測中獲取的信號(hào)一般在毫伏或微伏，甚至是納伏級(jí)電壓水平，常被噪聲電平所淹沒，因此必須用到微弱信號(hào)或小信號(hào)處理技術(shù)。常用的微弱信號(hào)或小信號(hào)處理技術(shù)有：
濾波：濾波消噪只適合用于信號(hào)和噪聲頻譜不重疊的情況。根據(jù)信號(hào)和噪聲的不同特性，常用的抑噪濾波器有：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器等。采用軟件技術(shù)的數(shù)字濾波器也已普遍應(yīng)用。
調(diào)制與解調(diào)：對(duì)于變化緩慢的信號(hào)或直流信號(hào)（如電磁水表和超聲水表等在小流量測量時(shí)的前級(jí)信號(hào)），如不經(jīng)變換處理而直接利用直流放大器放大，則傳感器和前級(jí)放大器的1/f固有噪聲及緩慢漂移（包括溫漂、時(shí)漂和傳感器電極與水流體的“流動(dòng)噪聲”等）經(jīng)放大后會(huì)以很大的幅值出現(xiàn)在后級(jí)輸出端；當(dāng)有用信號(hào)幅值很小時(shí)，有可能檢測不出信號(hào)來，在這種情況下，利用調(diào)制放大器能有效解決上述問題。調(diào)制放大器多采用幅度調(diào)制方法，其原理見圖1。調(diào)制過程一般用變?cè)鲆婊蚍蔷€性放大器實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的相乘，其輸出信號(hào)是頻率與
與載波信號(hào)Vc ( t ) 相同、幅度隨被測低頻信號(hào)Vs ( t ) 瞬時(shí)值變化的調(diào)制信號(hào)Vｍ ( t ),
解調(diào)過程可以用檢波器實(shí)現(xiàn)。該過程是把放大后的調(diào)制信號(hào)再和載波信號(hào)進(jìn)行相乘。設(shè)交流放大倍數(shù)為A，解調(diào)器的輸出Vｄ( t )為
上式表明，解調(diào)過程實(shí)現(xiàn)了二次頻率遷移，解調(diào)器輸出Vｄ( t ) 的頻率分量中一部分包含了原被測信號(hào)的頻率ωs ，另一部分頻譜集中于2 ω c ± ωs 。利用低通濾波器濾除Vｄ( t )中的高頻分量和附加噪聲，可得放大后的被測信號(hào)Vo( t )，
調(diào)制解調(diào)過程頻譜分布見圖2。
鎖定放大：鎖定放大器抑制噪聲有兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)，即用調(diào)制器將直流或慢變的頻譜遷移到調(diào)制頻率ωo處，再進(jìn)行放大，以避開1/ f 噪聲的不利影響；利用相敏檢波器（PSD）實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)。由于自然界噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很低，因此利用頻率ωo和相角θ進(jìn)行檢測與解調(diào)，就能有效分離有用信號(hào)和噪聲干擾。
鎖定放大器對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行遷移的過程見圖3。只要低通濾波器（LPF）的帶寬足夠窄，就能有效地改善信噪比。
數(shù)字式平均：當(dāng)重復(fù)信號(hào)或周期信號(hào)被噪聲污染時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式平均，可以改善其信噪比。數(shù)字式平均的工作過程是，由采樣保持器對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行取樣，再由A/D轉(zhuǎn)換器將被測信號(hào)變換成數(shù)字量并存入存儲(chǔ)器，累加平均的運(yùn)算過程由微機(jī)來完成。圖4是周期信號(hào)的取樣和數(shù)字式平均運(yùn)算過程。被測信號(hào)周期為T，在每個(gè)周期的起始處觸發(fā)取樣過程，每個(gè)周期內(nèi)均勻取樣M次，取樣時(shí)間間隔為Δt。
對(duì)于第j道取樣信號(hào)，數(shù)字式平均的運(yùn)算過程可表為
按式(4)分別計(jì)算出各道j所對(duì)應(yīng)的數(shù)字平均值A ( j ),并經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器依次輸出,就可得到平均后的被測信號(hào)。因?yàn)楸粶y信號(hào)為確定性信號(hào),所以多次平均后仍然為信號(hào)本身;而干擾噪聲為隨機(jī)信號(hào),多次平均后其有效值大為減少,從而提高了信噪比。
數(shù)字式平均的常用算法有：線性累加平均算法、遞推式平均算法、指數(shù)加權(quán)平均算法等。
相關(guān)檢測：相關(guān)檢測技術(shù)是基于信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行的。相關(guān)函數(shù)是兩個(gè)時(shí)域信號(hào)相似性的一種度量。相關(guān)檢測法分為自相關(guān)法和互相關(guān)法兩種。
用自相關(guān)法從噪聲中恢復(fù)有用信號(hào)的原理為，設(shè)s（t）為周期性的被測信號(hào)，n（t）為零均值寬帶噪聲，迭加后信號(hào)為
對(duì)x（t）做自相關(guān)運(yùn)算后，得
若n ( t )與ｓ( t )不相關(guān)，則ＲＳｎ(τ) =ＲｎＳ(τ) = 0，得
對(duì)于寬帶零均值噪聲n ( t )，其自相關(guān)函數(shù)Ｒｎ(τ) 主要反映在τ =0附近，當(dāng)τ較大時(shí)，Ｒｘ(τ)只反映ＲＳ(τ) 的情況。如果ｓ( t )為周期函數(shù)，則ＲＳ(τ) 仍為周期函數(shù)，這樣就可由τ較大時(shí)的Ｒｘ(τ) 測量出ｓ(t) 的幅度和頻率。
圖5(a)所示為迭加了限帶噪聲的周期信號(hào)ｘ( t ) 隨時(shí)間變化的波形，很難從這樣的波形中觀測出有用信號(hào)的周期性，更不能觀測出周期信號(hào)的頻率、幅度等特征。圖5(b)所示為該信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)Ｒｘ(τ) 波形，有用信號(hào)的周期性已經(jīng)十分明顯，而且還可以由Ｒｘ(τ) 波形估計(jì)出信號(hào)的周期和幅度。
自適應(yīng)噪聲抵消：它是以干擾噪聲為處理對(duì)象，利用噪聲與被測信號(hào)不相關(guān)特點(diǎn)，自適應(yīng)地調(diào)整濾波器傳輸特性，盡可能地抑制和衰減干擾噪聲，提高信號(hào)檢測或信號(hào)傳遞的信噪比。自適應(yīng)噪聲抵消不需要預(yù)先知道干擾噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，它能在逐次迭代的過程中將自身的工作狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整到最佳狀態(tài)，對(duì)抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效。
自適應(yīng)噪聲抵消原理見圖6。噪聲傳感器2的輸出經(jīng)過參數(shù)可調(diào)數(shù)字濾波器后，再送到抵消器，與信號(hào)傳感器1的輸出信號(hào)相減。插入濾波器的目的是要補(bǔ)償噪聲源經(jīng)過兩個(gè)傳感器傳輸特性上的差異，以使濾波器的輸出盡量逼近傳感器1的感應(yīng)噪聲。自適應(yīng)噪聲抵消
的常用算法有最陡下降法和最小均方法等。
渦街水表檢測管道流量時(shí)，由水泵引起的管道振動(dòng)可能對(duì)流量信號(hào)形成干擾，使其波形畸變，導(dǎo)致頻率測量誤差。這種干擾噪聲與管道振動(dòng)相關(guān)，而與渦街信號(hào)不相關(guān)，可以利用自適應(yīng)噪聲抵消方法將其濾除。如圖7所示，在相距渦街發(fā)生體的上游管道上裝設(shè)管道振動(dòng)傳感探頭，其輸出信號(hào)用作自適應(yīng)噪聲抵消器的參考信號(hào)，經(jīng)過短時(shí)間的迭代后自適應(yīng)算法就會(huì)收斂，抵消器輸出信號(hào)能更準(zhǔn)確地反映渦街頻率，從而提高檢測精度。
其他微弱信號(hào)檢測方法如：“小波分析”、“數(shù)字濾波”、“儀用放大器技術(shù)”等在這里不作一一描述。
3．曲線擬合和修正技術(shù)
曲線擬合是通過一定量的測試數(shù)據(jù)尋求相應(yīng)函數(shù)關(guān)系或數(shù)學(xué)模型的過程。在實(shí)際測量過
程中被測信號(hào)雖然經(jīng)過處理，但總會(huì)殘留部分噪聲，采用擬合技術(shù)可以將被測信號(hào)的規(guī)律從干擾中分離出來，恢復(fù)信號(hào)曲線本來面貌。
曲線修正主要包含：非線性校正、自校準(zhǔn)與自補(bǔ)償、誤差修正等技術(shù)。
3.1 曲線擬合
曲線擬合分為直線擬合與非線性擬合兩種。
（1）直線擬合又稱一元線性回歸，它是一種按測試數(shù)據(jù)確立直線方程的過程。如直線方程為
實(shí)際擬合過程就是確定方程系數(shù)ao和a1過程（常用“端值法”和“平均法”確定）。
用最小二乘法擬合的基本思想是:在具有等精度的多次測量中，最可靠的測試值等于各測量值的殘差平方和為最小時(shí)所求得的值。數(shù)學(xué)表達(dá)式為
（2）當(dāng)被測系統(tǒng)特性呈非線性性質(zhì)時(shí)要用曲線進(jìn)行描述。如某種流體的粘度隨溫度升高而降低，在不同溫度下得到粘度測試數(shù)據(jù)如下表。將測試數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖8所示。可將
|
溫度（xｉ） |
粘度（yｉ） |
溫度（xｉ） |
粘度（yｉ） |
|
10 |
4.24 |
50 |
1.60 |
|
15 |
3.55 |
55 |
1.50 |
|
20 |
2.92 |
60 |
1.43 |
|
25 |
2.52 |
65 |
1.37 |
|
30 |
2.20 |
70 |
1.32 |
|
35 |
2.00 |
75 |
1.29 |
|
40 |
1.81 |
80 |
1.25 |
|
45 |
1.70 |
|
|
它按 y = ao x 函數(shù)曲線進(jìn)行擬合。首先將曲線化為直線，
令
則
用最小二乘法擬合并計(jì)算，
所以
3.2 曲線修正
（1）特性曲線的非線性校正：測量系統(tǒng)的線性度是影響準(zhǔn)確度的重要指標(biāo)。為使測量儀表的輸出與輸入具有線性關(guān)系，必須采取相應(yīng)的線性化措施，即曲線修正技術(shù)。
如熱量表中經(jīng)常使用的測溫元件鉑電阻，在0～500oC溫度范圍內(nèi)，其阻值與溫度間的關(guān)系可近似表示為
式中：RT —溫度T時(shí)電阻值；Ro — 0oC時(shí)電阻值；a 、b —常數(shù)
圖9為鉑電阻的溫度特性曲線。由圖可知，溫度特性呈非線性，且當(dāng)溫度為250oC時(shí)，最大非線性誤差可達(dá)2 %。因此應(yīng)采用曲線修正技術(shù)來解決非線性影響。
常用非線性校正方法有硬件法和軟件法兩種。硬件法主要有函數(shù)放大器或多功能轉(zhuǎn)換器組成的線性化電路；軟件法則有校正函數(shù)法、查表法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等。由于電子水表均自帶微處理器，用軟件方法可以很容易產(chǎn)生所需校正函數(shù)，或者直接制成表格以供尋找。
校正函數(shù)法：其實(shí)質(zhì)是采用開環(huán)式非線性補(bǔ)償原理。如果傳感器的非線性特性通過曲線擬合方法為已知，則可利用相應(yīng)的校正函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
查表法：把事先計(jì)算好的校正值按一定順序制成表格，然后利用查表程序根據(jù)被測量的大小查出校正后的結(jié)果。該方法速度快、精度高、也最簡單，但需占用的內(nèi)存量較大。
（2）自校準(zhǔn)與自補(bǔ)償：如一傳感器系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到其靜態(tài)線性特性為
式中：ao—零位值；a1—靈敏度（即傳感器的轉(zhuǎn)換增益）
對(duì)于理想傳感系統(tǒng)，ao與a1應(yīng)為恒定值。由于內(nèi)外部因數(shù)影響，ao、a1都不可能保持不變。實(shí)際特性為
式中：Δao — 零位漂移；Δa1 — 靈敏度漂移；S、P — 分別為增益和零位值的恒定部分。
由上式可見，零位漂移將引入零位誤差，靈敏度漂移會(huì)引入測量誤差。傳感技術(shù)與微處理器結(jié)合，使自動(dòng)校準(zhǔn)零位誤差和靈敏度漂移引入的誤差成為可能。其基本思想都是基于實(shí)時(shí)校準(zhǔn)（標(biāo)定）技術(shù)。常用的自校準(zhǔn)方法見圖10，其校準(zhǔn)程序?yàn)椋?/font>
* 輸入為零時(shí),輸出為yo = ao ;
* 輸入為標(biāo)準(zhǔn)量UＲ時(shí)，輸出為yＲ;
* 輸入為傳感器輸出Uｘ時(shí)，輸出為yｘ。
被校環(huán)節(jié)增益a1可按下式得出
被測信號(hào)Uｘ則為
根據(jù)上式，被測量僅由比值和標(biāo)準(zhǔn)量UＲ決定。在短暫校準(zhǔn)過程中（一般小于60 ms），如系統(tǒng)增益不變且可視為常量，則測量期間之外的增益變化（如靈敏度漂移）和系統(tǒng)的誤差（如零位及溫度漂移）可以完全消除。為保證校準(zhǔn)精度，要有足夠準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)UＲ 。這種在線自校準(zhǔn)方法，可以采用較低精度的傳感器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器等器件，達(dá)到高精度的測量目的。
溫度補(bǔ)償是自補(bǔ)償?shù)囊环N主要應(yīng)用。環(huán)境溫度變化會(huì)給測量結(jié)果帶來不可忽視的誤差。在帶微處理器的電子水表系統(tǒng)中，只要建立起溫度誤差的數(shù)學(xué)模型，就可較好地解決這個(gè)問題。用輔助測溫元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ?，在傳感器?nèi)對(duì)溫度比較敏感部位放置測溫元件，用以檢測環(huán)境溫度；測溫元件的輸出經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)在處理傳感信號(hào)同時(shí)，將測溫元件感受到的環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器的影響加以補(bǔ)償，達(dá)到提高測量精度的目的。對(duì)于某些傳感器可以采用較簡單的溫度誤差修正模型，
式中：Y --修正后的輸出量；y --未修正的輸出量；Δ θ --工作環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度之差；
α0、α1--溫度系數(shù)（α0用于補(bǔ)償傳感器靈敏度變化；α1用于補(bǔ)償零位溫度漂移）。
對(duì)于環(huán)境溫度變化不大場合，用上式進(jìn)行補(bǔ)償可收到較好效果。但當(dāng)溫度變化較大、補(bǔ)償精度要求較高，且傳感器靈敏度及零位漂移與溫度變化呈非線性關(guān)系時(shí)，可用下式進(jìn)行補(bǔ)償，
式中：αo、α1 --補(bǔ)償傳感器靈敏度變化; α2、α3 --補(bǔ)償零位溫度漂移。
（3）誤差修正：測量誤差一般分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差等三類。
系統(tǒng)誤差：相同條件下經(jīng)多次測量,誤差的數(shù)值（包括符號(hào)）保持恒定，或按某種已知規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差可用相應(yīng)方法確定，并可對(duì)其修正。
隨機(jī)誤差：相同條件下經(jīng)多次測量,誤差的數(shù)值和符號(hào)不確定、沒有規(guī)律，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差不可預(yù)測，但當(dāng)測量次數(shù)足夠多時(shí)，服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律并按正態(tài)分布。隨機(jī)誤差具有單峰性、對(duì)稱性、有界性，當(dāng)測量次數(shù)趨向無窮大時(shí)，其平均值將趨于零，即具有抵償性。一般可用多次求平均的方法來抵償隨機(jī)誤差。
粗大誤差：在一定條件下測量時(shí)，測量值明顯偏離實(shí)際值所形成的誤差稱為粗大誤差。粗大誤差可從測量數(shù)據(jù)中剔除（根據(jù)3σ判斷準(zhǔn)則）。
（文章待續(xù)）
主要參考文獻(xiàn)：
1. 李可杰.新編傳感器技術(shù)手冊(cè).北京：國防工業(yè)出版社，2002.1
2. 吳興惠等.傳感器與信號(hào)處理.北京：電子工業(yè)出版社， 1998.8
3. 阮德生.自動(dòng)測試技術(shù)與計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì).西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1997.6
4. 劉君華.智能傳感器系統(tǒng).西安;西安電子科技大學(xué)出版社,1999.3
5. 潘新民.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：人民郵電出版社，1988.3
6. 高晉占.微弱信號(hào)檢測.北京：清華大學(xué)出版社，2004.11
7. 蔡武昌等.新型流量檢測儀表.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.1
8. 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(下冊(cè)).北京：高等教育出版社，1983.4
9. 梁國偉.流量測量技術(shù)及儀表.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1
10.相關(guān)公司產(chǎn)品樣本和技術(shù)資料，以及相關(guān)專利文獻(xiàn)資料等
