传感器是否线性,不是凭感觉,而是有严格的数学评估

传感器的标定

在工控行业,我们会使用检测各种物理量的不同传感器;

这些传感器也有不同的输出接口,有些是0-10V/5V电压,4-20mA电流的模拟量输出;

有些是通过RS485总线的MODBUS协议的数字量输出;

有些传感器通过数字量输出的数据就已经是真实物理量的数值,与其对接的***读到之后可直接当作物理量使用;

而传感器输出的模块量,由与其对接的***通过A/D转换成数字量之后,还需要进于由A/D转换数传换算成真实物理量数值,这一从测量传转换为真实值的过程我们称之为标定。

假设A/D值为x,真实值为y,存在函数关系式y=f(x);

标定就是根据A/D和从标准测量仪器读到的数值找到该函数关系式;

如果该函数关系式为一次函数,即真实值y=k*x+b(k为斜率、b为截距),

则称模拟量或者对应的A/D值与真实值呈线性关系,如果我们在二维坐标上绘制函数关系图,可以看到x-y的曲线是一条直线;

否则,称模拟量或者对应的A/D值与真实值呈非线性关系;

为了简化标定步骤,我们希望传感器在整个量程内都是呈线性关系;

这样,转换得到的A/D值通过一组k、b数值,按照k*A/D值+b就可以得到物理量的测量值,而且该测量与物理量的真实值相比,精度能达到标称的要求;

但是往往可能在某一些数值范围内,转换得到的测量值与真实值存在较大的偏差;

线性度的衡量

为了衡量传感器的输出是否线性,我们需要引入一些数学公式;

需要使用最小二乘法、方差、协方差、相关系数等数学公式进行评估;

假设y与x是线性的关系,则y可以和x表示为y=a*x+b。

对于物理量的标定,x为传感器输出的模拟量数值,y为标准仪器测得的真实值。

对于每一组的xi,yi,则都可以求出经过标定之后的测量值与真实值之间的误差为:

ei=a*xi+b-yi,

而最准确的a,b取值对应的所有测量值的误差的平方和最小。

记有N组测量,

为了使e最小,需要有e以a,b为自变量的梯度为0,即:

梯度为0

求得:

a,b求值公式

上式即为最小二乘法公式;

式中x的平均值,y的平均值,x、y的方差分别为:

方差

x,y的协方差为:

协方差

定义相关系数:

相关系数

将上述定义代入到min(e),得到:

从上面推导的公式可以看出来,

当r=0时,min(e)最大,可以说y完全不能用a*x+b表示,所以说完全不相关,

当r^2=1时,min(e)为零,可以说y完全可以用a*x+b表示,所以说完全相关.

当r<0时,a<0,所以就叫负相关.

当r>0时,a>0,所以就叫正相关.

可以相关系数不仅与a有关,而且与b也有关系。

一个示例

某传感器得到的测量值和真实值

采用最小二乘法公式,算出a=1.164, b=-0.05197;

相关系数r为0.99986,与1相差4个数量级,是一个线性度非常好的传感器;

另外,通过excel的函数slope,intercept可以采用最小二乘法算出a,b;

通过函数correl可以算出相关系数;


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