センサー特性の線形化

センサー特性の線形化 — センサーの出力値、またはそれに比例する量 (アナログまたはデジタル) の非線形変換で、測定値とそれを表す値との間の線形関係を実現します。

線形化の助けを借りて、非線形特性を持つセンサーが接続されている二次デバイス (熱電対、熱抵抗、ガス分析器、流量計など) の規模で線形性を達成することができます。センサー特性の線形化により、デジタル出力を備えた二次デバイスを通じて必要な測定精度を得ることが可能になります。これは、センサーを記録装置に接続するとき、または測定値に対して数学的演算 (積分など) を実行するときに必要になる場合があります。

エンコーダ特性の観点から見ると、線形化は逆関数変換として機能します。センサーの特性を y = F (a + bx) (x は測定値、a と b は定数) で表すと、センサーと直列に接続されたリニアライザーの特性 (図 1) は次のようになります。このように: z = kF (y)、ここで F は F の逆関数です。

その結果、リニアライザーの出力は z = kF(F (a + bx)) = a ' + b'x、つまり測定値の線形関数になります。

米。 1. 一般化された線形化ブロック図: D — センサー、L — リニアライザー。

さらに、スケーリングによって、依存性 z は z '= mx の形式に縮小されます。ここで、m は適切なスケール係数です。線形化が補償的な方法で、つまり図のようなサーボ システムに基づいて行われる場合、 2 の場合、線形化関数コンバーターの特性はセンサーの特性 z = cF (a + bx) と類似している必要があります。これは、測定値の線形化された値が関数リニアライザーのコンバーターの入力から取得されるためです。出力とセンサーの出力値を比較します。

関数コンバーターとしてのリニアライザーの特徴は、センサー特性のタイプによって決定される、単調関数に限定された比較的狭いクラスの依存関係を再現することです。

米。 2. 追跡システムに基づく線形化のブロック図: D — センサー、U — アンプ (トランスデューサー)、FP — 機能コンバーター。

リニアライザーは次の基準に従って分類できます。

1. 関数の設定方法によると、空間的なテンプレート、行列などの形式、非線形要素の組み合わせの形式、デジタル計算アルゴリズムの形式、デバイス。

2.スキームの柔軟性の程度: 汎用 (つまり、再構成可能) と特殊化。

3. 構造図の性質上、オープン型（図 1）と補償型（図 2）があります。

4. 入力値と出力値の形式: アナログ、デジタル、混合 (アナログ-デジタルおよびデジタル-アナログ)。

5. 回路で使用される要素の種類別: 機械、電気機械、磁気、電子など。

空間関数リニアライザーには主にカム機構、パターン、非線形ポテンショメータが含まれます。これらは、各変換段階の測定値が機械的動作の形で表される場合に使用されます（カム - 圧力センサーおよび変圧器センサーの特性を線形化するため、モデル - 記録計、非線形ポテンショメーター - 電位回路およびブリッジ回路） ）。

ポテンショメータ特性の非線形性は、プロファイルされたフレームに巻き付け、セクションを適切な抵抗で操作することで区分的線形近似法を使用してセクション化することによって実現されます。

非線形ポテンショメータを使用したポテンショメトリック型の電気機械サーボ システムに基づくリニアライザ (図 3) では、線形化された値は回転角度または機械的変位として表示されます。これらのリニアライザーはシンプルで多用途で、集中制御システムで広く使用されています。

米。 3. ポテンショメトリック タイプの電気機械サーボ システム用リニアライザー: D — DC 電圧形式の出力を持つセンサー、Y — アンプ、M — 電気モーター。

個々の要素 (電子、磁気、熱など) の特性の非線形性は、パラメトリック関数コンバーターで使用されます。ただし、センサーの機能依存性とセンサーの特性との間で完全な一致を達成することは通常は不可能です。

関数を設定するアルゴリズム的な方法は、デジタル関数コンバーターで使用されます。利点は高精度と特性の安定性です。これらは、個々の関数の依存関係の数学的特性、または部分による線形近似の原理を使用します。たとえば、放物線は整数の 2 乗の特性に基づいて作成されます。

たとえば、デジタル リニアライザーは区分線形近似法に基づいており、接近するセグメントを異なる繰り返しレートのパルスで満たすという原理に基づいて機能します。充填周波数は、非線形性の種類に応じて、デバイスに挿入されたプログラムに従って、接近するセグメントの境界点でジャンプして変化します。線形化された量はユニタリ コードに変換されます。

非線形性の部分線形近似は、デジタル線形補間器を使用して実行することもできます。この場合、補間区間の充填頻度は平均的にのみ一定のままです。

部品の線形近似法に基づくデジタル リニアライザの利点は、蓄積された非線形性の再構成の容易さと、ある非線形性から別の非線形性への切り替え速度です。これは高速集中制御システムで特に重要です。

汎用計算機やマシンを含む複雑な制御システムでは、関数が対応するサブルーチンの形式で埋め込まれているこれらのマシンから直接線形化を実行できます。