CN101706294B - 一种自动判断传感器的校准时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现测试设备中传感器的校准时间确定的方法。本方法根据测试设备的校准要求设计，不仅可以监控传感器的精度变化情况，判断其稳定度，及时给出最佳的校准时间，而且实现了传感器的自校准，在一定范围内保证了测试精度，避免过度频繁的校准操作，提高设备的利用率，节省校准费用。所用的方法依据传感器的输出特性设计，根据传感器的特性曲线，利用标准物质，通过简单的自校准过程实现传感器的原位自校准和校准时间判断，算法简单，方便在测试设备的软件中实现。

Description

一种自动判断传感器的校准时间的方法

【技术领域】

本发明涉及测试设备中传感器的自校准和确定传感器校准时间的方法。

【背景技术】

目前各种自动测试设备中或多或少都用到了一些传感器。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。其中多数测试设备中的传感器的测量值直接用来判决测试结果，对于传感器的精度和性能需要保持某种程度的稳定性。

一般按照计量标准要求，测试设备的关键器件包括传感器需要根据具体的使用情况进行校准，但没有一个统一的要求，要用户自己确定校准时间。校准时间主要取决于传感器本身精度和稳定度、设备要求精度误差范围等。校准时要将传感器从设备上拆下来，然后送交专业的校准机构进行校准。现在的这种操作方法存在以下缺陷：

1)无法正确进行校准的判决，确定什么时候应该送校。很多情况下，传感器的漂移和稳定度变化都会比较小，校准一次很长时间都可以满足测试的精度要求。但是使用过程中无法判断其精度的变化情况，如果按照设备的推荐周期简单的定期校准，不是时间过短就是周期过长，过短的话，既浪费资金，又会降低了测试设备的使用率，周期过长则会影响测量结果；

2)现在的测试设备集成度都比较高，每次校准都要把传感器拆下来送校，非专业人员操作很容易造成人为的损坏；

3)大多数的传感器需要进行精确的调整，校准一般在相对独立的环境进行的，校准完毕安装到设备上后，传感器信号经常受到设备自身电气信号的干扰，会造成一些单纯的传感器校准无法解决的误差；

4)按照使用经验确定校准时间，缺乏客观的数据依据，比如使用频度靠人工记录无法保证准确度，统计也不方便，传感器具体的精度误差无法方便的进行测量确认等等。

【发明内容】

本发明根据测试设备的校准要求，提出一种测试设备自动判断设备中传感器的校准时间的方法。通过监控传感器的稳定度状态，给出最佳的校准时间，同时也可以在一定范围内自动纠正传感器的精度误差，实现设备自校准，满足测试的要求，避免过度频繁的校准操作，提高设备的利用率，节省校准费用，避免设备频繁拆装加速设备老化，降低意外损伤的风险。

本发明首先提供一种对传感器进行在线自校准的方法。自校准的依据是传感器都有静态特性，即对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述，一般用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线。传感器的校准一般就对其特性曲线进行检定，使用标准输入确定其输出误差，并确定是否在预期的允差范围之内，得出标称值的偏差，从而调整测量器具或对示值加以修正，确保测量器给出的量值准确，实现溯源性。

根据上述传感器的特性和校准的原理，在测试设备中根据预先定义的特性曲线对传感器进行自校准，步骤如下：

1)在设备软件中预定义可以描述传感器特性曲线的代数方程；

2)在设备人中设置自校准的取样次数和采样点的标准值；

3)在传感器的工作范围内，按照第2步的设置，使用标准物质对传感器输入设定值，比如使用标准砝码对压力传感器施加标准的压力；

4)软件在每个采样点对传感器的输出进行采样并记录，并计算输出值和标准值的误差；

5)达到设置的采样次数以后，软件使用每次采样的标准值和输出值以及误差值，根据预定义的代数方程，生成传感器实际的特性曲线。具体的计算方法可以用最小二乘法生成拟合直线，也可以简单的用两组采样值确定一条拟合直线；

6)软件记录第5步所得到的拟合直线作为校准曲线，作为测试设备测试过程中的测量输出使用，完成传感器的自校准；

7)软件根据生成的校准曲线计算各个采样点标准值对应的输出值，并计算实际输出值和校准曲线的计算输出值的百分比误差，保存下来在确定校准时间时使用。

结合上述自校准的过程，本发明根据校准的相关要求，利用设备自校准产生的数据监控传感器的误差范围和变化，结合设备的精度和稳定度要求，给出一种确定传感器最佳的校准时间的方法。具体方法如下：

1)在设备中设置传感器百分比允差范围和自校准周期两个参数；

2)设备按照自校准周期进行自校准，软件自动记录各个采样点的误差；

3)由人工通过设备操作界面给软件下达确定校准时间指令；

4)首先，软件调用最近三次的自校准数据中各采样点误差百分比，与允差范围比较，如果一半以上的采样点连续3次都超出了允差范围，则判定传感器需要立即校准，校准判断结束，否则继续执行步骤5；

5)软件计算最后3次自校准时各个采样点的误差变化率，按照平均变化率估算下次校准的误差，如果一半以上的采样点估算误差超出了允差范围，则判定传感器需要在下个自校准周期内进行校准，校准判断结束，否则继续执行步骤6；

6)绘制各个采样点历次自校准的误差变化曲线，供人工判断误差变化趋势，决定校准时间，校准时间确定过程结束。

【本发明所要解决的技术问题是】

现有的传感器校准的时机无法准确判断，单纯的定期校准容易造成校准过频或者过少。而且现在的校准方法一般需要将传感器从原设备拆下，无法做到原位校准，不能很好的避免设备本身对测量精度的影响。

【有益效果】

本发明所述的校准时间确定方法，不仅可以监控传感器的精度变化情况，判断其稳定度，及时给出最佳的校准时间，而且实现了传感器的自校准，在一定范围内保证了测试精度。所用的方法依据传感器的输出特性设计，算法简单，可以在测试设备的软件中实现。

【附图说明】

附图1是本发明传感器校准时间确定的方法流程图；

附图2是本发明的一种具体实施方式的设备架构图；

附图3是本发明实施方式中压力传感器自校准方法流程图；

附图4是本发明实施方式中力传感器的特性曲线；

附图5是本发明实施方式中自校准曲线；

附图6是本发明实施方式中传感器的误差变化曲线示意图；

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

附图1是本发明传感器校准时间确定的方法流程图，共包括以下步骤：

步骤S101，在设备中设置传感器百分比允差范围和自校准周期；

步骤S102，设备按照自校准周期进行自校准，软件自动记录各个采样点的误差；

步骤S103，由人工通过设备操作界面给软件下达确定校准时间指令；

步骤S104，首先软件将最近三次的自校准数据中各采样点误差与允差范围比较，如果一半以上的采样点连续3次都超出了允差范围，则判定传感器需要立即校准，校准判断结束，否则继续执行步骤S105；

步骤S105，软件计算最后3次自校准时各个采样点的误差变化率，按照平均变化率估算下次校准的误差，如果一半以上的采样点估算误差超出了允差范围，则判定传感器需要在下个自校准周期内进行校准，校准判断结束，否则继续执行步骤S106；

步骤S106，绘制各个采样点历次自校准的误差变化曲线，供人工判断误差变化趋势，决定校准时间，校准时间确定过程结束。

附图2为本发明的一种实施方式的设备架构示意图，所用传感器为压力传感器，其特性曲线使用函数f(X)＝V＝a*X+b描述。其中V为传感器的输出值(测量的显示力值)，X为输入值(标准力值)，a为校准因子，b为校准误差因子。设备包括受力单元201，传感器202，传感器输出测量单元203，设备软件204及显示和控制单元205共五个部分。

受力单元201与传感器202在结构上固定在一起，作为受力面直接承受外力并将力传导给传感器202；

传感器202将收到的作用力转换为电信号输出给传感器输出测量单元203；

传感器输出测量单元203接收传感器202的电信号，并测量电信号的具体值，传递给自校软件204；

设备软件204完成传感器自校准过程和校准时间的确定过程，并将自校准结果和判定的校准时间在显示和控制单元205上显示输出

显示和控制单元205给操作人员提供一个方便的输入和显示界面。

附图3是本发明实施例中自校准方法流程图，共包括以下步骤：

步骤S301，在设备人中设置自校准的采样次数为两次，并设置两次采样点的标准输入值X1和X2；

步骤S302，使用标准砝码等标准物质，通过受力单元201对传感器施加一个标准力X1，；

步骤S303，设备软件读取传感器输出测量单元203的测量输出，记录为V1；

步骤S3004，设备软件记录X1和V1，完成一次采样记录；

步骤S305，设备软件判断是否已经采样记录了两次测试参数，如果已经达到两次，则转到步骤S306，否则转到步骤S301，并将下一组标准力和测量值分别记录为X2和V2；

步骤S306，设备软件将(X1，V1)和(X2，V2)代入预定义的特性曲线函数f(X)＝V＝a*X+b，求解得到a，b两个函数因子，从而得到传感器的校准曲线，供测试测量使用；

步骤S307，软件根据生成的校准曲线计算2个采样点标准值对应的输出值V1’和V2’，并计算2个采样点的误差W1＝(V1’-X1)/X1和W2＝(V2’-X2)/X2，保存下来在确定校准时间时使用。

附图4是本发明实施方式中力传感器的特性曲线，力传感器的特性曲线在理想情况下即图4所示的线性曲线，输出和受力的大小成正比。

附图5是本发明实施方式中自校准曲线，通过至少两次标准力测试取样，自校软件计算绘制传感器的实际特性曲线，即自校准曲线。图5的曲线与图4的理想曲线相比已经有了一定的漂移，拟合直线的斜率也有了变化，测量软件在实际的测量过程中使用此曲线来消除测试的数据误差。

附图6是本发明实施方式中传感器的稳定度变化曲线示意图，即采样点多次自校准的误差变化情况。图中最后连续3次的误差连续3次超出设备允差了，这是可以判定传感器已经不能稳定工作，需要重新送到计量机构进行校准。

由上述的技术方案可见，本发明的力传感器校准时间确定方法，只需要利用标准物质在软件的辅助下，可以根据历次自校准的数据判断传感器的稳定度，选择最佳的校准时间，同时在一定精度范围内实现传感器的自校准，使传感器可以满足测试设备的精度要求，避免频繁的外送校准。本方法简单可行，不仅适用于力传感器的自校准和校准时间判断，而且通过预定义特性曲线函数，也适用于其他的传感器。本方法不会对现有设备的结构和设计造成任何影响，只需要修改软件的实现即可，具有很大的灵活性和实用性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种确定测试设备中传感器的校准时间的方法，用于使用传感器进行测试的测试设备确定进行传感器校准的时间，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、在设备中设置传感器百分比允差范围和自校准周期；

B、设备按照自校准周期进行自校准，软件自动记录各个采样点的误差；

C、由人工通过设备操作界面给软件下达确定校准时间指令；

D、首先软件将最近三次的自校准数据中各采样点误差与允差范围比较，如果一半以上的采样点连续3次都超出了允差范围，则判定传感器需要立即校准，校准判断结束，否则继续执行步骤E；

E、软件计算最后3次自校准时各个采样点的误差变化率，按照平均变化率估算下次校准的误差，如果一半以上的采样点估算误差超出了允差范围，则判定传感器需要在下个自校准周期内进行校准，校准判断结束，否则继续执行步骤G；

G、绘制各个采样点历次自校准的误差变化曲线，供人工判断误差变化趋势，决定校准时间，校准时间确定过程结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对传感器需要进行定期的自校准。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述自校准操作包括以下步骤：

S1、在设备软件中预定义可以描述传感器特性曲线的代数方程；

S2、在设备软件中设置自校准的取样次数和采样点的标准值；

S3、在传感器的工作范围内，按照步骤S2的设置，使用标准物质对传感器输入设定值；

S4、软件在每个采样点对传感器的输出进行采样并记录，并计算输出值和标准值的误差；

S5、达到设置的采样次数以后，软件使用每次采样的标准值和输出值以及误差值，根据预定义的代数方程，生成传感器实际的特性曲线；

S6、软件记录步骤S5所得到的拟合直线作为校准曲线，作为测试设备测试过程中的测量输出使用，完成传感器的自校准；

S7、软件根据生成的校准曲线计算各个采样点标准值对应的输出值，并计算实际输出值和校准曲线的计算输出值的百分比误差，保存下来在确定校准时间时使用。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，测试设备使用的传感器具有确定的特性曲线。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所使用的标准物质为经过校准的标准物质。

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