孫福玉， 曹萬(wàn)蒼， 王中文

（1.赤峰學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 2.吉林省公主嶺市范家屯第一中學(xué)， 吉林 四平 136100）

傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法探究

孫福玉1， 曹萬(wàn)蒼1， 王中文2

（1.赤峰學(xué)院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 2.吉林省公主嶺市范家屯第一中學(xué)， 吉林 四平 136100）

傳感器實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出傳感器的特性指標(biāo)，本文利用 MATLAB 的 GUI功能，通過(guò)對(duì) GUI開發(fā)環(huán)境中回調(diào)函數(shù)的編程，設(shè)計(jì)了基于 GUI的傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理界面，展示了方便靈活的參數(shù)輸入和動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的輸出，開發(fā)設(shè)計(jì)出了具有良好交互式界面的傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可應(yīng)用于所有傳感器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理.

傳感器；非線性誤差；靈敏度；GUI

1 引言

傳感器通常把非電量轉(zhuǎn)化為電量，它就相當(dāng)于我們的五官，可感知溫度、壓力、高度、速度、光強(qiáng)等各種外界因素的變化，并把這種變化轉(zhuǎn)化為較容易處理的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)送入單片機(jī)、FPGA、CPLD或 ARM等處理器進(jìn)行處理后，即可完成自動(dòng)控制、數(shù)字顯示、報(bào)警等工作.從中學(xué)到大學(xué)，在物理學(xué)中我們接觸了很多傳感器，如光敏管、壓阻片、差動(dòng)變壓器等等，在涉及到傳感器的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出傳感器的特性指標(biāo)，而這種特性指標(biāo)的求解過(guò)程非常繁瑣，需要花費(fèi)學(xué)生大量的時(shí)間和精力，本文給出了一種基于 MATLAB的 GUI處理方法，可以非常容易的解決這個(gè)問題.

2 傳感器的兩個(gè)重要特性

2.1 傳感器的非線性誤差

傳感器的非線性誤差是傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，傳感器的輸出隨輸入的變化而變化，對(duì)于使用者而言，自然希望這種變化是線性的，我們稱之為輸入輸出特性曲線為一條直線，但由于種種原因，實(shí)際的傳感器總是非線性的，使用者于是就希望傳感器的非線性越小越好，比如對(duì)于由壓力傳感器做成的電子秤，放上 1Kg它顯示 1Kg，放上 2Kg它顯示了 2.5Kg，可以說(shuō)它的非線性誤差太大了，這樣的電子秤是無(wú)法使用的.

非線性誤差通常指的是相對(duì)誤差，可以用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

上式中 ΔLMAX為最大非線性絕對(duì)誤差，YFL為傳感器的滿量程輸出值.

2.2 傳感器的靈敏度

傳感器的靈敏度指?jìng)鞲衅黛`敏的程度，其定義為傳感器的輸出量增量Δy與傳感器的輸入量增量 Δx的比值，傳感器的靈敏度可用公式（2）計(jì)算，通常情況下，我們希望傳感器的靈敏度越大越好.對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是輸入輸出特性曲線的斜率.

為了根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算傳感器的非線性誤差和靈敏度，需要使用最小二乘法，公式（3）至公式（5）為最小二乘法的計(jì)算公式.

公式（3）中 x為傳感器實(shí)驗(yàn)的 n次輸入，y為傳感器實(shí)驗(yàn)的n次輸出.

公式（3）和公式（4）中，ε 為傳感器 n次實(shí)驗(yàn)的誤差.

公式（3）至公式（5）中 a為輸入輸出特性曲線的截距，b為輸入輸出特性曲線的斜率，b值即為傳感器的靈敏度 s，n次實(shí)驗(yàn)中最大的 ε 值就是ΔLMAX也就是最大非線性絕對(duì)誤差的值.

3 傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 GUI處理方法

GUI是 Graphical User Interfaces Development Environment的一個(gè)縮寫，意為圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境，簡(jiǎn)稱 GUI，GUI是 MATLAB的一個(gè)子窗口，它具有非常強(qiáng)大的功能，其優(yōu)點(diǎn)是方便靈活的參數(shù)輸入，以及動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果輸出.

可采用下列步驟設(shè)計(jì)傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的GUI界面：

(1)啟動(dòng) MATLAB，點(diǎn)擊 file菜單，選中 GUIDE子窗口選項(xiàng)，打開 GUI的布局編輯器窗口.

(2)如圖一傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的 GUI圖形窗口所示，拖放所需要的控件，這里拖放四個(gè)動(dòng)態(tài)文本框到工作區(qū)，其中兩個(gè)用來(lái)放置實(shí)驗(yàn)中傳感器的輸入和輸出數(shù)據(jù)，另外兩個(gè)放置數(shù)據(jù)處理結(jié)果，即程序執(zhí)行后輸出的傳感器的靈敏度和傳感器的非線性誤差，拖放三個(gè)靜態(tài)文框到工作區(qū)，用來(lái)對(duì)四個(gè)動(dòng)態(tài)文本框進(jìn)行說(shuō)明，拖放一個(gè)坐標(biāo)軸控件用來(lái)放置傳感器的輸入輸出特性曲線，拖放一個(gè)按鈕控件，當(dāng)按鈕控件 Push Buttor按下后，GUI將開始運(yùn)行.我們可以使用幾何位置排列工具對(duì)這些控件的位置進(jìn)行重新排列和調(diào)整.

(3)雙擊每一個(gè)所選中的控件，編輯它們的屬性，這里把 fontname屬性設(shè)置為隸書，把 fontsize屬性設(shè)置為 16，其它的 fontweight，string，tag等屬性也進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置.

(4)運(yùn)行 GUI程序，在自動(dòng)生成的 M-file中添加Push Buttor按鈕控件的 Callback回調(diào)函數(shù)如下[1-2]所示：

x0=numeric(get(handles.x,'string'))

y0=numeric(get(handles.y,'string'))

p=polyfit(x0,y0,1);

x1=min(x0)

x2=max(x0)

x=x1-1:0.01:x2+1;

y=polyval(p,x);

p

s=p(:,1);

s=abs(s)

y1=polyval(p,x0)

l1=abs(y0-y1)

l2=max(l1)

y2=abs(y0)

yfs=max(y2)

rl=l2./yfs

plot(x0,y0,'ro',x,y,'k-');

legend('x0-y0','x-y')

set(handles.s,'string',s)

set(handles.rl,'string',rl)

(5)運(yùn)行 M-file，出現(xiàn)傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的GUI圖形窗口如圖一所示，在原始數(shù)據(jù)處的兩個(gè)動(dòng)態(tài)文本框中輸入傳感器輸入和輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Push Buttor按鈕控件，即可在另外兩個(gè)動(dòng)態(tài)文本框中看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，即程序執(zhí)行后輸出的傳感器的靈敏度和傳感器的非線性誤差，同時(shí)我們?cè)谧鴺?biāo)軸控件中可觀察到傳感器的輸入輸出特性曲線.

4 結(jié)論

傳感器實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出傳感器的特性指標(biāo)，而這種特性指標(biāo)的求解非常繁瑣，本文利用 MATLAB的 GUI功能，可以非常容易的解決這個(gè)問題.本文設(shè)計(jì)了基于 GUI的傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理界面，展示了方便靈活的參數(shù)輸入和動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的輸出，開發(fā)設(shè)計(jì)出了具有良好交互式界面的傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可應(yīng)用于所有傳感器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理.

〔1〕李顯 龍.MATLAB 界面設(shè) 計(jì)與編 譯技巧[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.225-283.

〔2〕孫福玉.MATLAB 程序設(shè)計(jì)教程[M].呼和浩特:遠(yuǎn)方出版社,2006.130-131.

TP212

A

1673-260X（2014）08-0013-02