棉花檢驗儀器測量誤差分析與處理

徐天旻

〔安徽省聯(lián)通公司，安徽合肥230000〕

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棉花檢驗儀器測量誤差分析與處理

徐天旻

〔安徽省聯(lián)通公司，安徽合肥230000〕

一、棉檢儀器的基本結(jié)構(gòu)

棉檢儀器為二次儀表，具有典型的DSP（數(shù)字信號處理）非電量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。棉檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　棉檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳感器拾取被測參量（棉花或谷物的溫度、水分、灰度、纖維等信息）并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)濾波去除干擾后送入多路模擬開關(guān)；由微處理器μPC逐路選通模擬開關(guān)，將各輸入通道的信號逐一送入程控增益放大器，放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號后送入μPC；μPC根據(jù)儀器所設(shè)定的初值進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運算和處理（如非線性校正等）；處理結(jié)果被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行顯示和打?。沪蘌C把運算結(jié)果存于片內(nèi)Flash ROM。同時利用μPC串口以GPRS的方式無線上傳，由服務(wù)器對檢測數(shù)據(jù)做出綜合判斷并存檔。

利用GPRS多路無線傳輸方式，棉檢儀器可以完成遠程多路、多參數(shù)、常時間監(jiān)控式檢測控制。

二、棉檢儀器的測量誤差

（一）方法誤差

方法誤差包括理論誤差和測量方法誤差。因為測量系統(tǒng)的模型基本上是多元高次方程，無實解，所以棉檢系統(tǒng)的模型均為近似解。以此得到的測量數(shù)據(jù)與真值之間必然存在誤差，稱為理論誤差。在測量過程中，由于方法的不同，因此，造成測量結(jié)果也不一樣。由測量方法不合理造成的誤差稱為測量方法誤差。

（二）儀表誤差

由測量儀器的工藝制作和標準儀器的精度引入的誤差稱為儀器儀表誤差。

（三）環(huán)境影響誤差

因儀器使用環(huán)境與其設(shè)計使用條件不一致所造成的誤差。

（四）人身誤差

測量人員的素質(zhì)引起的誤差。

應(yīng)該注意的是：測量誤差是絕對的，但誤差不是錯誤。測量結(jié)果中包含的誤差恰恰是測量正確和科學(xué)的表達。研究測量誤差的目的，是要在認識和掌握誤差規(guī)律的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)設(shè)計、制造和使用測量儀表。對于棉花或谷物這些特定的檢測對象，如何降低或減少測量誤差，是我們需要認真討論的問題。

三、棉檢儀器測量誤差的處理方法

雖然產(chǎn)生誤差的原因多種多樣，但是根據(jù)測量誤差的性質(zhì)，測量誤差可分為隨機誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差三類。

（一）隨機誤差的糾正

隨機誤差是指在相同測量條件下，多次重復(fù)測量同一量值時，每次測量誤差的絕對值和符號都以不可預(yù)知的方式變化的誤差。當測量次數(shù)足夠多時，隨機誤差服從統(tǒng)計規(guī)律。由于大多數(shù)隨機誤差服從高斯分布，因此，可以采用數(shù)理統(tǒng)計的方法來分析估算隨機誤差。工程上則可對被測量進行多次重復(fù)測量的算術(shù)平均值表示被測量的真值，即：

式中：N——測量次數(shù)；

xi——測量值。

系統(tǒng)誤差在測試之前就已經(jīng)存在。指在同一條件下，多次重復(fù)測試同一量時，測量結(jié)果按一定規(guī)律出現(xiàn)的誤差。系統(tǒng)誤差決定了測量的準確度。系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果越準確。系統(tǒng)誤差具有可控制性和修正性。在檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計中，可以采用比較修正和誤差補償?shù)姆椒▽ο到y(tǒng)誤差進行校正，達到良好的效果。

（二）粗大誤差

指測量值明顯與實際值不符的誤差。這種誤差是人為的，粗心大意產(chǎn)生的誤差。對此類誤差，只能采取提高操作人員責(zé)任心，或在儀器上增加異常報警裝置等方式加以解決。在測量軟件中預(yù)置了置信概率，確定相應(yīng)的置信區(qū)間，凡超過置信區(qū)間的誤差就認為是粗大誤差。

（三）標準計量儀表誤差

通用電工測量儀表是對棉檢儀器的的檢定和校正，是棉檢儀器的標準，對棉檢儀器的設(shè)計生產(chǎn)至關(guān)重要。其實，從設(shè)計理念上來分析，兩者電路程式是一樣的，其精度和測量誤差產(chǎn)生的原因也是一樣的。那么，用電工測量儀表對同一種精度要求的棉檢儀器完成檢定是一種不可信的做法。另外，針對棉檢儀器的特殊性，電工測量儀表的數(shù)據(jù)采集手段亦值得商榷。由于現(xiàn)代棉檢儀器處理及輸出的基本都是數(shù)字化信息，因此，使用常規(guī)的磁電式信號采集方式必然帶來較大的系統(tǒng)誤差。而現(xiàn)在常用的所謂數(shù)字化測量儀表，僅僅是處理顯示數(shù)字化了，對前端信號采集仍然采用模擬信號的方式，這里的弊病不言而喻。

（四）棉檢傳感器誤差及解決辦法

傳感器是棉檢儀器對環(huán)境的唯一接口，是完成能量表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換的重要部件。因為傳感器處于整個棉檢系統(tǒng)的最前端，所以傳感器本身的轉(zhuǎn)換誤差直接決定了棉檢儀器的性能。

棉檢傳感器靜態(tài)特性引起的誤差主要是非線性誤差。比如測量棉包溫度用的測溫傳感器幾乎無例外的都是半導(dǎo)體PN結(jié)，而PN結(jié)是一種典型的非線性器件。靜態(tài)誤差還包括遲滯誤差、重復(fù)性誤差、靈敏度誤差、溫漂等。

動態(tài)特性是指棉檢傳感器對隨測量時間變化的響應(yīng)特性，或者說傳感器的輸出量是時間的函數(shù)，要求傳感器能迅速準確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測信號的變化。

為了降低棉檢儀器的誤差，筆者對傳感器采用了信息融合技術(shù)SDF（Sensor Data Fusion）。傳感器信息融合又稱數(shù)據(jù)融合，指將經(jīng)過集成處理的多傳感器信息進行合成，形成一種對外部環(huán)境或被測對象某一特征的表達方式。SDF從多信息的視角進行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無用的和錯誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實現(xiàn)信息的優(yōu)化。

數(shù)字傳感器可直接或間接得到數(shù)字量?，F(xiàn)有的棉檢儀器大多數(shù)采用的是間接式數(shù)字量傳感器，而間接式數(shù)字量傳感器只能通過A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量輸出。數(shù)據(jù)的量化過程就會產(chǎn)生量化誤差，對常用的8位嵌入式處理機，其最高分辨率在4‰左右。對于棉花的某些參數(shù)，此精度是不能夠達到要求的。解決量化誤差的根本辦法是提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，筆者在設(shè)計棉檢類儀器的過程中，采用了至少12位的ADC和低功耗的16位微處理機。另外，為了提高頻率式數(shù)字量傳感器的分辨率，還采用了倍頻處理方式。

四、棉花檢測儀器中的抗干擾技術(shù)

棉花檢測儀器中的抗干擾技術(shù)是減少測量誤差的必要手段。

（一）干擾的概念

除了檢測系統(tǒng)所需要的信息，其它任何對系統(tǒng)產(chǎn)生附加影響的信號統(tǒng)稱干擾（噪聲）。干擾源、傳播途徑及干擾對象構(gòu)成了干擾系統(tǒng)的三個要素。

檢測系統(tǒng)需要的信號強度十分微弱，而且工作環(huán)境惡劣，系統(tǒng)不可避免地受到各種干擾信號，干擾是客觀存在不可避免的?？垢蓴_技術(shù)就是要分清干擾源、傳播途徑，以及干擾的作用方式，達到降低干擾的目的。

棉檢儀器的外部干擾主要是外部電磁波干擾；而內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、線路設(shè)計、元器件性質(zhì)變化和漂移等原因造成的。如分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)；電磁場輻射感應(yīng)；長線傳輸?shù)牟ǚ瓷?；多點接地造成的電位差引入的干擾；寄生振蕩引起的干擾以及元件熱噪聲、散粒噪聲等。傳播途徑引起的干擾主要是信號的耦合方式引起的各種頻率的電磁波的交集。針對干擾形成的原因，筆者提出了下列處理方式。

（二）內(nèi)外電磁波干擾的處理方式

PCB板以及引線之間會構(gòu)成分布電容，產(chǎn)生靜電耦合，形成竄擾。系統(tǒng)存在著公共耦合阻抗，例如電源引線、印刷電路板上的地和公共電源線、匯流排等，同時，各匯流條之間具有電容，數(shù)字脈沖可通過此電容耦合。

輸入信號的差模干擾亦屬串擾，可以采用增強屏蔽、減少空間磁耦合，降低長線傳輸?shù)幕ジ?、提高濾波效果的方法加以解決。而抗共模干擾應(yīng)盡量采用差動輸入方式，同時盡量采用信號隔離技術(shù)。

輸入信號在長線中傳輸會遇到三個問題：高速變化的信號在長線中傳輸時，會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象；具有信號延時；長線傳輸受外界干擾較大。浮地屏蔽是指信號放大器采用雙層屏蔽，輸入為懸浮雙端輸入，使共模輸入阻抗大為提高，浮地屏蔽技術(shù)有效地抑制了共模干擾和長線干擾。為了消除長線的反射現(xiàn)象，可采用終端或始端阻抗匹配的方法。

另外，要增強電源抗干擾技術(shù)，應(yīng)合理采用接地方式。

（三）軟件抗干擾的概念

采用數(shù)字濾波方式，濾除干擾信號。由于采用了程序?qū)崿F(xiàn)濾波，因此無需硬件器件，不受外界的影響，也無參數(shù)變化等問題。數(shù)字濾波還可以根據(jù)信號和干擾的不同，采用不同的濾波方法和濾波參數(shù)。

采用指令冗余技術(shù)，當工業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)瞬時尖峰高能電磁脈沖干擾，使正在執(zhí)行的程序“跑飛”時，指令冗余將跑飛的程序很快地納入程序軌道。當跑飛的程序落到非程序區(qū)時，則采取的措施是設(shè)立軟件陷阱。合理使用Watchdog（看門狗），強制系統(tǒng)復(fù)位，擺脫死循環(huán)。

建立檢測系統(tǒng)可靠性模型，進行軟件可靠性設(shè)計。采用軟件容錯設(shè)計技術(shù)。軟件容錯是指在軟件故障的情況下，系統(tǒng)仍能在預(yù)定條件下和預(yù)定時間內(nèi)正確運行的能力。

進行信息保護、身份識別以及信息編碼與加密，也是抗干擾，防止硬件故障、軟件錯誤和人為因素等原因引起的信息破壞的基本方法。

五、小結(jié)

棉花檢驗儀器的誤差分析控制是一個非常有用的命題，棉檢儀器存在的問題也是大部分測量儀器儀表存在的問題。一旦解決或降低測量誤差，其經(jīng)濟效益和社會效益就不可小覷?！?/p>