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电子设备的电子校准和误差修正方法

2010-07-27 11:40
孤身万里游
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利用电子校准确保工业设备准确、安全并经济

        工厂建设需要安全保障,客户期待高品质产品,这就需要高精度的制造设备。同时,还必须保持合理的设备价格。那么,制造商如何以合理的价格提供“完美”的设备? 答案非常简单,即校准功能。电气校准能够对现场设备进行远程校准和测试,例如传感器、阀门和执行装置。由于现场设备和可编程逻辑控制器(PLC)的尺寸受限,需要利用小尺寸电子校准器件的优势。

        所有实用部件,包括机械和电子部件,都具有生产容限。容差越宽松,部件的制造成本就越低。把部件集成到系统时,个体误差之和构成系统的总体误差。通过合理的调节、调整和校准电路设计,能够在一定程度上修正这些系统误差,从而使设备运行安全、准确且经济。

        校准能够在许多领域降低系统成本,可以消除制造误差并允许使用低成本元件、缩短测试时间、提高用户满意度、降低产品返修率、降低担保费用,还有助于加快产品交付。

        数控校准装置和电位器(pot)正逐渐替代多数工厂配置所采用的机械式电位器。这种数字方法能够获得更高可靠性并有助于改善操作人员的安全性。可靠性的提高降低了产品的赔偿责任风险。另一优势是,通过消除人为误差可有效缩短测试时间并消除了相关的劳务费用。自动测试设备(ATE)可以快速、准确并重复执行测试操作,此外,数字器件能够工作在布满灰尘、污垢和潮湿的环境下,而机械式电位器在这样的工作环境下很容易失效。

        测试和校准应用分为三个主要领域:生产线最终测试、定期自检和连续监测及重新调整。实际产品可能采用上述所有或部分测试方法。

通过最终测试校准补偿部件误差

        在最终测试校准中可以修正多部件组合产生的误差。校准被测单元(DUT)时,可能需要进行一项或多项调整,以满足厂商的技术指标要求。

        下面介绍一个简单的示例,假设设备的伺服电路采用了容差为5%的电阻。设计中,我们对电流进行仿真并进行Monte Carlo试验。也就是说,我们在容差限值范围内随机修改电阻值,观察对输出信号的影响。得到了一组模拟测试曲线,表明电阻容差所产生的最严重的误差。根据这一结论,设计人员决定在最终测试期间对现有电路进行失调和量程(增益)校准,以满足系统的技术指标。由此,我们对产品进行最终调试测量,并让一个操作人员使用两个机械式电位器设置量程和失调。完成校准后,进一步考查我们已经解决了问题还是简单地隐藏了问题,或者在系统中增添了更大的未知因素?

        经验丰富的产品工程师都了解人为误差是一个现实存在的问题。一个最好的解决方案可能由于一次意外过失而毁于一旦。让操作人员执行单调乏味的重复性任务也是自找麻烦。更好的方式是自动完成这样的任务。电子校准装置能够实现快速自动测试、提高可重复性、降低成本,并通过消除人为误差提高系统安全性。

通过上电自检和连续/周期性校准提高可靠性和长期稳定度

        在最终产品测试期间对产品进行校准,并在系统上电时利用这些校准数据,可以补偿生产误差。现场的环境参数同样需要测试和校准。这些环境因素包括:温度、湿度和电路元件老化(漂移),这些因素会产生信号量程和失调误差。有些电路包含控制或平均信息,系统定期存储这些信息。这些因素都能够利用上电自检、周期性地或连续检测加以解决。现场测试可以是简单地测量温度并进行相应补偿,也可以更加复杂。

        许多产品都带有内部微处理器,有助于测试。例如,称重设备可以补偿产品包装的重量,例如塑料袋或玻璃瓶。为了准确测量材料的净重,需要从毛重减去包装材料的重量(皮重)。不同的生产流程或不同的供应商使得包装材料的重量随时发生变化,这就要求系统能够随时更新皮重或容器重量。

        另一示例是利用开关将放大器输入对地短路,测量失调电压。该过程可在上电自检期间完成,用于补偿元件老化产生的误差。也可以周期性执行该操作,补偿温漂。如果温漂具有周期性和可重复性,微控制器即可以开环方式测量并控制校准装置。

        将已知信号输入到前级设备并测量相应的输出电平,即可校准增益误差,可以在上电或工作的间歇期执行该操作。

利用校准DAC和电位器实现精确的自动调整

        校准数/模转换器(CDAC)和校准数字电位器(CDPot)在调节、调整和校准方面具有一些相同属性。第一个优势是内置非易失存储器,可自动保存上电期间的校准设置。图1所示为第二优势:可自定义校准间隔和位置,保证工业安全性。



图1. 普通DAC和CDAC的校准范围比较

        普通的DAC采用单个基准电压(VREF),该基准电压通常用于设置DAC的最大输出。DAC的最小输出设置在一个固定电压,通常为地电位。为了调整近中心点,必须忽略介于VREF和地之间的大部分范围,并且不调整这些范围,而可用的步进范围是均匀分布的。例如,如果VREF设置在4V,一个10位DAC的步进值则为0.0039V。工业设备中,消除所有影响安全性的误差至关重要。消除没有使用的调整范围能够避免电路被错误调整的可能性。

        CDAC和CDPot允许将DAC的高端和低端电压设置在任意电平,从而消除过大的调整范围。图1所示例子中,下限值为1V,上限值为2V。为了在1V至2V范围获得0.0039V步长,只需一个8位器件即可满足要求,从而降低成本。此外,这还缩小了电路被错误调整的范围,提高系统安全性。CDAC的高端和低端电压可以是任意值,可以根据电路校准要求把中心点设置在任意位置。如果电路的容差分析结果表明需要对1.328V至1.875V范围进行校准,也是完全可行的。256级器件所产生的间隔电压为0.00214V。由此,可以根据具体的应用要求获得最佳的调整间隔。

 

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