以 TEDS 技術校準感測器

資料擷取的核心是來自類比傳感器的電壓量測，不論是 RTD、加速規、應變規等。這樣的做法可讓量測作業更易理解,以傳感器相關資訊解讀電壓訊號的方式。在從原始電壓轉換成有意義的資料時,DAQmx 驅動程式會根據傳感器類型,套用不同的轉換方式。一般而言,這些會是傳感器類型的標準曲線與方程式。不過,感測器校準會將傳感器視為個別裝置,進一步推動這項流程。換句話說,感測器輸出電壓會根據特定感測器校準的指標來對應至實體量測。

儲存於感測器的 EEPROM 或 VTEDS 檔案中的資料會經過壓縮,以節省空間。若要取得並解讀資訊,DAQmx 驅動程式會將範本套用至二進位資料。每種類型的感測器,從電荷放大器到熱敏電阻器,皆有個別範本。除了這 16 個標準範本之外,感測器可能會擇一選用三種可能的校準範本:校準表、校準曲線 (多項式) 與頻率響應表。請見下方表 1.

校準表範本說明具有傳感器電子對實體傳輸功能的檢索表。表格會要求 CalPoint_DomainValue 與 CalPoint_RangeValue 參數提供多組數值。請見下方表 2.
CalTable_Domain 用於選取校準表的頻域參數為電子 (0) 或實體 (1)。舉例來說,電域參數是電壓,而實體域參數則是 Celsius。CalPoint_DomainValue 為已校準值的頻域參數,以傳感器完整範圍的百分比表示。如果熱電偶的完整範圍為 -300 至 300°C,則若要將熱電偶校準至 0°C,CalPoint_DomainValue 會是 50%。CalPoint_RangeValue 是範圍量測與預期值之間的誤差,以傳感器完整範圍的百分比表示。如果讀數降低 5°C,相同熱電偶的 CalPoint_RangeValue 會對應為 .8333%。下方圖 1 說明如何使用這些屬性來指定傳感器的傳輸功能。
校準表範本可讓您輕鬆記錄數個資料點,以進行校準。在校準極為窄的數值範圍時,這一點特別有用。

不過,有時必須在整個傳感器範圍內進行精確的特性分析。這項作業相當困難,在具有高度非線性傳輸功能的傳感器 (例如熱電偶) 方面更是如此。因此,TEDS 提供了替代校準方式。校準曲線範本會指定一條分段多項式曲線，用來描述轉換器中電訊號與物理量之間的轉換關係。請見下方表 3.
整體函式的描述分段,每個區段由一系列的係數與功率定義。舉例來說,CURVE 可透過 [(3,1),(2,5)、(1,-2)、(0,1)] 描述,其中括號中的數字會解譯為 (CalCurve_Power、CalCurve_Coef)。這會轉換為多項式函式 f(x) = x3 + 5x2 – 2x + 1。請見下方圖 2。
函式的每個區段都會由 CalCurve_PieceStart 參數定義,該參數會指定每個部分的開始值。每個區段都由 CalCurve_PieceStart 的序列值束縛,下方為關閉式與上方為開啟式。舉例來說,上圖中的區段 k 間隔包含 CalCurve_PieceStart _k,但不包含 CalCurve_PieceStart _k+1,當中的 PieceStart _k 指定 CalCurve_PieceStart 屬性讀取的 k ^th 值。這個區段可能是描述傳感器傳輸功能的多項式之一。舉例來說,許多 RTD 在其部分量測範圍中,均具有線性行為,其他範圍則為多項式。

為有效運用校準 CURVE 範本,必須將數個校準點安裝至一個多項式 CURVE。這項作業可能需要的時間遠超過針對校準表收集幾個資料點。不過,取捨就是更高的準確度與更廣的校準值範圍。

某些量測作業可能需要時域以外的資訊。傳感器的頻率響應傳輸功能特別適用於麥克風與加速規。事實上,在比較讀數時,任何振動傳感器的頻率響應都非常重要。頻率響應較寬的感測器,如果出現振動,就會出現更多振動。

頻率響應表範本會透過頻率振幅配對的檢索表,指定傳感器的頻率響應傳輸功能。TF_Table_Freq 與 TF_Table_Ampl 類似於 CalTable 與 CalCurve 屬性,在振幅對頻率傳輸函式中定義資料點。請見下方表 4 與圖 3。


您可以使用這些校準範本的任何組合;不過,每種範本均可針對不同的量測類型量身打造。校準表可讓您輕鬆徹底分析較窄的傳感器讀數範圍。校準曲線完全指定傳感器的範圍,但由於從離散量測計算出一個多項式,因此需要更多心力。頻率響應表可結合前 2 個範本,以提供更多傳感器動態響應的相關資訊。

熱電偶可提供簡單的方式來示範 TEDS 校準範本的用途與實用性,尤其是校準表範本 (ID 40)。如上所述,此範本包含數組數值 (CalPoint_DomainValue 與 CalPoint_RangeValue),用於指定傳輸函式 CURVE 的點。

熱電偶的典型校準點包括水的冷點 (0°C)、水的沸點 (100°C),以及 270°C 等。若要校準傳感器,這些溫度讀數必須對應至其對應電壓。為確保一致性與標準化,必須比較來自熱電偶的資料與可追蹤的 NIST 來源,在此範例中則是 SPRT (標準白金電阻溫度計)。接著,任何與預期溫度相差的情況,都可記錄在校準表中。

舉例來說,如果 SPRT 在溫度浴中讀取 75°C,而熱電偶讀取 72°C,則熱電偶會在整體範圍 (-260°C 至 1372°C) 的 3°C 或 0.184% 關閉。同樣地,由於 72°C 為範圍的 10.17% (-260°C 至 1372°C),因此,在此校準點的 CalPoint_DomainValue 等於 10.17%,而 CalPoint_RangeValue 則等於 .184%。此流程可根據需要重複進行多個校準點。

收集完成的校準資料點後,即可寫入熱電偶上的 TEDS EEPROM,或儲存在虛擬 TEDS (VTEDS) 檔案中。一般而言,最好先將資料寫入 VTEDS 檔案,再先測試結果,再將資料寫入 EEPROM。適用於 LabVIEW 7.1 的 TEDS 外掛函式庫可提供建立 TEDS 資料所需的 VI。具體來說,NI Measurements » TE DS » A dvanced TED S 下方的「建立新的 T EDS 範本」(Create New TEDS Template) 面板會 包含校準範本 VI。請見下方圖 4。

請注意,此文件不包含 TEDS VI 的特定資訊。如需詳細資訊與完整範例,請參閱「相關連結」一節。

隨著校準資料收集與寫入檔案後,可透過 DAQmx Configure TEDS.vi 將其套用至任何使用熱電偶的量測作業。DAQmx 驅動程式會自動讀取校準資訊,並將校準資訊套用至後續的所有傳感器量測作業,直到作業完成。DAQmx TEDS 相關 VI 位於「NI Measurements 」»「 DAQmx – Data Acquisition」»「DAQmx Advanced」»「DAQmx TEDS」。

最後步驟是將 TEDS 資料寫入感測器的 EEPROM,這樣一來,即可將校準資料用於其他系統。DAQmx Write TEDS Data.vi (自 DAQmx 7.3 起新增) 將接受 TEDS 二進位位位元串流或 VTEDS 檔案路徑做為輸入。請見下方圖 5。

請參閱下方的「相關連結」部分,以取得以 TEDS 校準熱電偶的更完整範例。

隨插感測器的優點相當多元。縮短設定時間並自動設定,有助於提高生產力,並降低量測系統的整體成本。TEDS 介面隨附的校準範本,有助於個別進行傳感器的特性分析。這樣的詳細校準作業可能會提高準確度,超越特定感測器類型的公開規格。NI 針對 TEDS Acquisition System 提供完整的解決方案,其中包含軟硬體。請參閱下方的相關連結,以取得更多資訊。