感测元件和传感器信号调节器的线性化处理

感测元件用来将相关的物理量转换成电信号。例如，惠斯通电桥可用来将压力转换成电输出。许多感测元件本质上是非线性的。换句话讲，它们的输出与其正在测定的物理量不呈线性比例关系。由于相关物理量发生变化，输出呈非线性变化。

传感器信号调节器用来校正感测元件输出的非线性特性。在这篇文章中，我们研究了两种广泛用于校正感测元件非线性的方法：1）查找表（LUT）或内插法； 2）多项式或曲线拟合。文中对这两种方法做出了对比，并讨论了两种方法之间的折衷。

感测元件和传感器信号调节器

传感器或变送器包括感测元件和信号调节器。惠斯通电桥或热线风速计等感测元件用于将诸如压力或空气质量流量的物理压力分别转换成电信号。而传感器信号调节器用于处理感测元件输出的非理想特性，并将信号发送到控制器。图1所示为该生态系统的总体框图。

图1：显示相关物理量（x）、感测元件输出（y）和经过调节的传感器输出（z）的传感器方框图。

图1中显示所测的物理量为x，感测元件的输出为y，而处理后的传感器信号调节器输出为z。传感器信号调节器用于处理感测元件输出的非线性、温度变化和动态响应等非理想特性。本文中讨论如何对感测元件输出的非线性进行处理。

感测元件非线性

尽管感测元件的非线性具有不同形式，但在本文中我们将讨论一种特定的非线性形式，即二阶非线性，以便于我们理解如何使用传感器信号调节器将输出线性化。注意，这些概念可推广到任意非线性。

如果某个感测元件的输入和输出具有如等式1所示的数学关系，则可以认为该感测元件具有二阶非线性：

式中：

a = 感测元件偏移，其定义为所测物理量为其最小值时感测元件的输出

b = 感测元件跨度，其定义为测定最大和最小物理量时的感测元件输出之差

c = 感测元件二阶非线性

x = 所测物理量

y = 感测元件的输出，是x的函数

例如，考虑具有以下示例参数的非线性感测元件：

• x是介于0和1之间的值。即，物理量已归一化，因此无单位

• a= 0

• b = 1

• c= 10%的满刻度（FS），式中FS = b；换言之，感测元件具有10%的非线性。

在这种情况下，感测元件输出与输入的函数关系式如等式2所示。

图2显示了归一化的输入x从0变到1时的等式2曲线图。从图2的曲线图可以推断，x = 0.5时，感测元件的输出为0.6。若感测元件的输出完全呈线性，那么输出将是0.5。也就是说，感测元件在中点具有10%的FS偏差。这是具有二阶非线性的感测元件在输出上出现的凸起。

图2：非线性感测元件的输出。请注意输出线的凸起现象。