Tuyến tính hóa các đặc tính cảm biến

Tuyến tính hóa các đặc tính của cảm biến — một phép biến đổi phi tuyến tính của giá trị đầu ra của cảm biến hoặc một đại lượng tỷ lệ với nó (tương tự hoặc kỹ thuật số) để đạt được mối quan hệ tuyến tính giữa giá trị đo được và giá trị đại diện cho nó.

Với sự trợ giúp của tuyến tính hóa, có thể đạt được độ tuyến tính trên thang đo của thiết bị thứ cấp mà cảm biến có đặc tính phi tuyến tính được kết nối (ví dụ: cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt, máy phân tích khí, đồng hồ đo lưu lượng, v.v.). Việc tuyến tính hóa các đặc tính của cảm biến giúp có thể đạt được độ chính xác của phép đo cần thiết thông qua các thiết bị thứ cấp có đầu ra kỹ thuật số. Điều này là cần thiết trong một số trường hợp khi kết nối cảm biến với thiết bị ghi hoặc khi thực hiện các phép toán trên giá trị đo được (ví dụ: tích hợp).

Xét về đặc tính của bộ mã hóa, quá trình tuyến tính hóa hoạt động như một phép biến đổi hàm nghịch đảo.Nếu đặc tính của cảm biến được biểu thị là y = F (a + bx), trong đó x là giá trị đo được, a và b là các hằng số, thì đặc tính của bộ tuyến tính hóa nối tiếp với cảm biến (Hình 1) sẽ trông như thế nào như thế này: z = kF(y), trong đó F là hàm ngược của F.

Do đó, đầu ra của bộ tuyến tính hóa sẽ là z = kF(F (a + bx)) = a ' + b'x, tức là hàm tuyến tính của giá trị đo được.

Cơm. 1. Sơ đồ khối tuyến tính hóa tổng quát: D — cảm biến, L — bộ tuyến tính hóa.

Hơn nữa, bằng cách chia tỉ lệ, sự phụ thuộc z được rút gọn về dạng z' = mx, trong đó m là hệ số tỉ lệ thích hợp. Nếu quá trình tuyến tính hóa được thực hiện theo cách bù, tức là dựa trên hệ thống servo như Hình. 2, thì đặc tính của bộ chuyển đổi chức năng tuyến tính hóa phải giống với đặc tính của cảm biến z = cF (a + bx), bởi vì giá trị tuyến tính hóa của giá trị đo được lấy từ đầu vào của bộ chuyển đổi của bộ tuyến tính hóa chức năng và giá trị của nó đầu ra được so sánh với giá trị đầu ra của cảm biến.

Một tính năng đặc trưng của bộ tuyến tính hóa với tư cách là bộ chuyển đổi chức năng là một loại phụ thuộc tương đối hẹp được chúng tái tạo, giới hạn ở các hàm đơn điệu, được xác định bởi loại đặc tính cảm biến.

Cơm. 2. Sơ đồ khối tuyến tính hóa dựa trên hệ thống theo dõi: D — cảm biến, U — bộ khuếch đại (đầu dò), FP — bộ chuyển đổi chức năng.

Các bộ tuyến tính hóa có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:

1. Theo phương pháp thiết lập chức năng: không gian ở dạng mẫu, ma trận, v.v., ở dạng tổ hợp các phần tử phi tuyến tính, ở dạng thuật toán tính toán số, thiết bị.

2.Theo mức độ linh hoạt của sơ đồ: phổ quát (nghĩa là có thể cấu hình lại) và chuyên dụng.

3. Theo bản chất của sơ đồ cấu trúc: loại mở (Hình 1) và loại bù (Hình 2).

4. Theo dạng giá trị vào ra: tương tự, số, hỗn hợp (analog-digital và digital-analog).

5. Theo loại phần tử sử dụng trong mạch: cơ khí, điện cơ, từ tính, điện tử, v.v.

Bộ tuyến tính hóa chức năng không gian chủ yếu bao gồm cơ chế cam, mẫu và chiết áp phi tuyến tính. Chúng được sử dụng trong trường hợp giá trị đo được của từng giai đoạn chuyển đổi được trình bày dưới dạng chuyển động cơ học (cam - để tuyến tính hóa các đặc tính của cảm biến áp suất và biến áp, mô hình - trong máy ghi âm, chiết áp phi tuyến tính - trong điện thế và mạch cầu ).

Tính phi tuyến tính của các đặc tính chiết áp đạt được bằng cách cuộn trên các khung định hình và phân chia bằng phương pháp xấp xỉ tuyến tính từng phần bằng cách điều khiển các phần có điện trở phù hợp.

Trong bộ tuyến tính hóa dựa trên hệ thống servo cơ điện thuộc loại chiết áp sử dụng chiết áp phi tuyến tính (Hình 3), giá trị tuyến tính hóa xuất hiện dưới dạng góc quay hoặc chuyển vị cơ học. Các bộ tuyến tính hóa này đơn giản, linh hoạt và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tập trung.

Cơm. 3. Bộ tuyến tính cho hệ thống servo cơ điện loại chiết áp: D — cảm biến có đầu ra ở dạng điện áp DC, Y — bộ khuếch đại, M — động cơ điện.

Các đặc tính phi tuyến tính của các phần tử riêng lẻ (điện tử, từ tính, nhiệt, v.v.) được sử dụng trong các bộ chuyển đổi chức năng tham số. Tuy nhiên, giữa các phụ thuộc chức năng mà chúng phát triển và các đặc điểm của cảm biến, thường không thể đạt được sự phù hợp hoàn toàn.

Cách cài đặt chức năng theo thuật toán được sử dụng trong bộ chuyển đổi chức năng kỹ thuật số. Ưu điểm của chúng là độ chính xác cao và tính ổn định của các đặc tính. Chúng sử dụng các tính chất toán học của các phụ thuộc hàm riêng lẻ hoặc nguyên tắc xấp xỉ tuyến tính theo từng phần. Ví dụ, một parabola được phát triển dựa trên tính chất của bình phương của các số nguyên.

Ví dụ: bộ tuyến tính hóa kỹ thuật số dựa trên phương pháp xấp xỉ tuyến tính từng phần, hoạt động theo nguyên tắc lấp đầy các đoạn tiếp cận bằng các xung có tốc độ lặp lại khác nhau. Các tần số lấp đầy thay đổi theo bước nhảy tại các điểm biên của các đoạn tiếp cận theo chương trình được đưa vào thiết bị theo loại phi tuyến. Số lượng được tuyến tính hóa sau đó được chuyển đổi thành mã đơn vị.

Phép tính gần đúng tuyến tính từng phần của tính phi tuyến tính cũng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ nội suy tuyến tính kỹ thuật số. Trong trường hợp này, tần số lấp đầy của các khoảng nội suy chỉ không đổi ở mức trung bình.

Ưu điểm của bộ tuyến tính hóa kỹ thuật số dựa trên phương pháp xấp xỉ tuyến tính của các bộ phận là: dễ dàng cấu hình lại phi tuyến tích lũy và tốc độ chuyển đổi từ phi tuyến này sang phi tuyến khác, điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống điều khiển tập trung tốc độ cao.

Trong các hệ thống điều khiển phức tạp có chứa máy tính vạn năng, máy móc, tuyến tính hóa có thể được thực hiện trực tiếp từ các máy này, trong đó chức năng được nhúng dưới dạng chương trình con tương ứng.