Linearizarea caracteristicilor senzorilor

Linearizarea caracteristicilor senzorului — o transformare neliniară a valorii de ieșire a senzorului sau a unei mărimi proporționale cu aceasta (analogică sau digitală) care realizează o relație liniară între valoarea măsurată și valoarea care o reprezintă.

Cu ajutorul liniarizării se poate realiza liniaritatea pe scara dispozitivului secundar la care este conectat un senzor cu caracteristică neliniară (ex. termocuplu, rezistență termică, analizor de gaz, debitmetru etc.). Liniarizarea caracteristicilor senzorului face posibilă obținerea preciziei de măsurare necesare prin dispozitive secundare cu ieșire digitală. Acest lucru este necesar în unele cazuri când se conectează senzori la dispozitive de înregistrare sau când se efectuează operații matematice asupra valorii măsurate (ex. integrare).

În ceea ce privește caracteristica codificatorului, liniarizarea acționează ca o transformare funcțională inversă.Dacă caracteristica senzorului este reprezentată ca y = F (a + bx), unde x este valoarea măsurată, a și b sunt constante, atunci ar trebui să arate caracteristica liniizatorului conectat în serie cu senzorul (Fig. 1). astfel: z = kF (y), unde F este funcția inversă a lui F.

Ca rezultat, ieșirea liniizatorului va fi z = kF(F (a + bx)) = a ' + b'x, adică o funcție liniară a valorii măsurate.

Orez. 1. Schema bloc de liniarizare generalizată: D — senzor, L — liniizator.

În plus, prin scalare, dependența z este redusă la forma z '= mx, unde m este factorul de scară adecvat. Dacă liniarizarea se face într-un mod compensator, adică pe baza unui sistem servo ca Fig. 2, atunci caracteristica convertorului de funcție de liniarizare ar trebui să fie similară cu caracteristica senzorului z = cF (a + bx), deoarece valoarea liniarizată a valorii măsurate este luată de la intrarea convertorului liniizatorului de funcție și a acestuia. ieșirea este comparată cu valoarea de ieșire a senzorului.

O trăsătură caracteristică a liniizatoarelor ca convertoare funcționale este o clasă relativ îngustă de dependențe reproduse de aceștia, limitate la funcții monotone, care este determinată de tipul de caracteristici ale senzorului.

Orez. 2. Schema bloc a liniarizării pe baza sistemului de urmărire: D — senzor, U — amplificator (transductor), FP — convertor funcțional.

Linializatorii pot fi clasificați după următoarele criterii:

1. După metoda de setare a funcției: spațială sub formă de șabloane, matrice etc., sub forma unei combinații de elemente neliniare, sub forma unui algoritm de calcul digital, dispozitive.

2.După gradul de flexibilitate al schemei: universal (adică reconfigurabil) și specializat.

3. După natura diagramei structurale: tip deschis (Fig. 1) și compensare (Fig. 2).

4. Sub formă de valori de intrare și ieșire: analog, digital, mixt (analogic-digital și digital-analogic).

5. După tipul de elemente utilizate în circuit: mecanice, electromecanice, magnetice, electronice etc.

Liniarizatoarele cu funcții spațiale includ în principal mecanisme cu came, modele și potențiometre neliniare. Ele sunt utilizate în cazurile în care valoarea măsurată a fiecărei trepte de conversie este prezentată sub formă de mișcare mecanică (came — pentru liniarizarea caracteristicilor senzorilor manometrici și transformatori, modele — în înregistratoare, potențiometre neliniare — în circuite de potențial și punte). ).

Neliniaritatea caracteristicilor potențiometrului se realizează prin înfășurare pe cadre profilate și secționare folosind metoda de aproximare liniară pe bucăți prin manevrarea secțiunilor cu rezistențe adecvate.

Într-un liniizator bazat pe un servosistem electromecanic de tip potențiometric folosind un potențiometru neliniar (Fig. 3), valoarea liniarizată apare ca unghi de rotație sau deplasare mecanică. Aceste liniizatoare sunt simple, versatile și utilizate pe scară largă în sistemele de control centralizate.

Orez. 3. Linializator pentru servosistem electromecanic de tip potențiometric: D — senzor cu ieșire sub formă de tensiune DC, Y — amplificator, M — motor electric.

Neliniaritățile caracteristicilor elementelor individuale (electronice, magnetice, termice etc.) sunt utilizate în convertoarele funcționale parametrice. Cu toate acestea, între dependențele funcționale pe care le dezvoltă și caracteristicile senzorilor, de obicei nu este posibil să se realizeze o potrivire completă.

Modul algoritmic de setare a unei funcții este utilizat în convertoarele digitale de funcții. Avantajele lor sunt precizia ridicată și stabilitatea caracteristicilor. Ei folosesc proprietățile matematice ale dependențelor funcționale individuale sau principiul aproximării liniare pe părți. De exemplu, o parabolă este dezvoltată pe baza proprietăților pătratelor întregi.

De exemplu, un liniizator digital se bazează pe metoda de aproximare liniară pe bucăți, care funcționează pe principiul umplerii segmentelor care se apropie cu impulsuri cu diferite rate de repetiție. Frecvențele de umplere se modifică în salturi în punctele de frontieră ale segmentelor care se apropie în funcție de programul introdus în dispozitiv în funcție de tipul de neliniaritate. Mărimea liniarizată este apoi convertită într-un cod unitar.

O aproximare liniară parțială a neliniarității poate fi, de asemenea, efectuată folosind un interpolator liniar digital. În acest caz, frecvențele de umplere ale intervalelor de interpolare rămân constante doar în medie.

Avantajele liniizatoarelor digitale bazate pe metoda de aproximare liniară a pieselor sunt: ​​ușurința de reconfigurare a neliniarității acumulate și viteza de trecere de la o neliniaritate la alta, ceea ce este deosebit de important în sistemele de control centralizat de mare viteză.

În sistemele de control complexe care conțin calculatoare universale, mașini, liniarizarea poate fi efectuată direct de la aceste mașini, în care funcția este încorporată sub forma unei subrutine corespunzătoare.