CN102645186B - 一种基于双线性插值算法的水膜厚度传感器实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法，该方法包括以下步骤：步骤a、测量不同温度T_k下不同水膜厚度H_i对应的幅度值A_ik和相位值P_ik,其中k={1,2,…,n}；i={1,2,…,m}，m代表选取水膜厚度值的个数，水膜厚度H_i值根据水膜厚度测量精度选择；步骤b、测量当前温度T₀，对温度分段线性插值，得到当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0，其中T₀∈[T₁,T_n]。通过本发明的水膜厚度检测传感器的双线性插值算法减少了标定数据的采集量，提高了标定效率，加快了计算速度，改善了测量分辨率，降低了温漂现象，使得水膜厚度检测传感器的性能有了显著提高。

Description

一种基于双线性插值算法的水膜厚度传感器实现方法

技术领域

采用双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法属于微波测量技术的参数估计领域，具体用于对不同温度下水膜厚度标定数据的估计。

背景技术

近年来，高速公路建设的规模十分巨大，因此大量公路路面的监测和维护日益重要。公路路面在实际的使用过程中，积水会对整个路面结构产生不利的影响，并极大的增大了交通事故的发生几率。水膜厚度检测传感器能够准确测量路面积水厚度，从而实现公路路面的实时测量和预警，对于高速公路系统的信息化和智能化以及交通事故的预防预警有着十分重要的意义。水膜厚度检测传感器要求具有较高的分辨率，因此需要测量精确的标定数据以提高传感器的性能。然而，实际水膜厚度测试值受到环境温度的显著影响，导致温度漂移现象的发生，误差较大，同时由于实际测量条件限制，从而无法得到大量的不同温度下的水膜厚度标定数据以用于传感器的标定。本发明采用双线性插值的方法分别对温度和水膜厚度数据进行线性插值，插值方法简单，计算速度快，精度高，降低了温度效应对水膜厚度测量的影响，提高了测量分辨率，同时，数据最终通过最小二乘法查找进一步降低了测量误差。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法，应用该方法可以显著减少标定数据的采集量，补偿温度效应误差，提高测量分辨率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明是提出一种基于双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤a、测量不同温度T_k下不同水膜厚度H_i对应的幅度值A_ik和相位值P_ik,

其中k={1,2,…,n},n代表选取温度值的个数，实际T_k值根据温度测量范围决定；i={1,2,…,m}，m代表选取水膜厚度值的个数，水膜厚度H_i值根据水膜厚度测量精度选择；

步骤b、测量当前温度T₀，对温度分段线性插值，得到当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0，其中T₀∈[T₁,T_n]；

步骤c、对水膜厚度H分段线性插值，每段插入x个点，x为自然数，得到水膜厚度H下的幅度值A（T₀，H_j）和相位值P（T₀，H_j）； T₀为当前温度， H_j为不同水膜的厚度；

步骤d、实时测量得到当前温度T₀和水膜厚度H下的幅度值A（T₀，H）和相位值P（T₀，H），运用最小二乘法查到最合适的二维点，即min={ [A（T₀，H_j）- A（T₀，H）]²+[P（T₀，H_j）- A（T₀，H）]²）}对应的j值,得到此时当前水膜厚度H；

水膜厚度H下的幅度值A和相位值P；当前温度T₀ ，j代表差值后水膜点个数。

优选的，步骤b中，温度分段线性差值为：当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0分别为：

当T₀∈[T_a,T_a+1]，a∈[1,n-1]时，

当T₀< T₁ 或 T_n< T₀时，设定相应的水膜测试边界条件；

其中，A_ma代表温度T_a下水膜厚度H_m时幅度值，A_m(a+1) 代表温度T_a+1下水膜厚度H_m时幅度值，P_ma代表温度T_a下水膜厚度H_m时相位值，P_m(a+1) 代表温度T_a+1下水膜厚度H_m时相位值。

优选的，步骤c中水膜厚度H分段线性差值为：

H∈[H_b,H_b+1]，b∈[1,m-1]

当前温度值T₀下的幅度值A_j0和相位值P_j0：

x为对水膜厚度H分段线性插值，每段插入的点数；m代表选取测量水膜厚度值的个数，y代表每个差值区间计算值，j代表差值后水膜点个数；

当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0；

其中A_（b+1）0， A_b0当前温度下的幅度值，P_（b+1）0,P_b0均为当前温度下的相位值。

有益效果：本发明的双线性插值算法有效地降低了温度效应对水膜厚度测量值的影响，利用测量少量水膜厚度标定点插值得到全部的不同温度下的水膜厚度标定点，从而极大的减少了标定数据的采集量，提高了标定效率，此算法步骤简单，计算速度快，精度高，降低了温度效应对水膜厚度测量的影响，提高了测量分辨率，同时，数据最终通过最小二乘法查找进一步降低了测量误差，使得水膜厚度检测传感器的性能有了显著改善。

附图说明

图1是双线性插值算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的基于双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法包括以下步骤：

步骤a、测量不同温度T_k下不同水膜厚度H_i对应的幅度值A_ik和相位值P_ik,

其中k={1,2,…,n},n代表选取温度值的个数，实际T_k值根据温度测量范围决定；i={1,2,…,m}，m代表选取水膜厚度值的个数，水膜厚度H_i值根据水膜厚度测量精度选择；

步骤b、测量当前温度T₀，对温度分段线性插值，得到当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0，其中T₀∈[T₁,T_n]；

步骤c、对水膜厚度H分段线性插值，每段插入x个点，x为自然数，得到水膜厚度H下的幅度值A（T₀，H_j）和相位值P（T₀，H_j）； T₀为当前温度， H_j为不同水膜的厚度；

步骤d、实时测量得到当前温度T₀和水膜厚度H下的幅度值A（T₀，H）和相位值P（T₀，H），运用最小二乘法查到最合适的二维点，即min={ [A（T₀，H_j）- A（T₀，H）]²+[P（T₀，H_j）- A（T₀，H）]²）}对应的j值,得到此时当前水膜厚度H；

水膜厚度H下的幅度值A和相位值P；当前温度T₀ ，j代表差值后水膜点个数。

步骤b中，温度分段线性差值为：当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0分别为：

当T₀∈[T_a,T_a+1]，a∈[1,n-1]时，

当T₀< T₁ 或 T_n< T₀时，设定相应的水膜测试边界条件；

其中，A_ma代表温度T_a下水膜厚度H_m时幅度值，A_m(a+1) 代表温度T_a+1下水膜厚度H_m时幅度值，P_ma代表温度T_a下水膜厚度H_m时相位值，P_m(a+1) 代表温度T_a+1下水膜厚度H_m时相位值。

步骤c中水膜厚度H分段线性差值为：

H∈[H_b,H_b+1]，b∈[1,m-1]

当前温度值T₀下的幅度值A_j0和相位值P_j0：

x为对水膜厚度H分段线性插值，每段插入的点数；m代表选取测量水膜厚度值的个数，y代表每个差值区间计算值，j代表差值后水膜点个数；

当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0；

其中A_（b+1）0， A_b0当前温度下的幅度值，P_（b+1）0,P_b0均为当前温度下的相位值。

在具体实现的过程中，对温度T和水膜厚度H进行线性插值，插值过程中均采用分段插值法，分段区间和插值点的选择根据数据点的需要，测量条件的限制和传感器分辨率大小决定。水膜厚度测量区间为0mm-8mm，分辨率为0.1mm，温度选择测量四个温度点为整个温度区间的典型温度点，水膜厚度在大于1mm时每隔0.5mm选一个测量点，在小于1mm时因为测量实际条件限制无法精度测量，所以选择多插值法不测0.5mm数据。

不同温度和水膜厚度下标定数据

表1

当前温度下不同水膜厚度数据

表2

当前温度下对水膜厚度线性插值结果

表3

具体步骤如下所示：

a、测量温度T[k]下不同水膜厚度H[i]对应的幅度值A（T[k]，H[i]）和相位值P（T[k]，H[i]）,其中k={1,2,3,4},实际测量中选K=1表示T[1]=5°C，同样，T[2]=25°C，T[3]=45°C，T[4]=65°C，温度值选择根据温度测量范围决定；i={0,1,2,3,4,5,6,7,…,15}，i代表水膜厚度值i=0代表水膜厚度0mm，i=1表示水膜厚度1mm，后面为每隔0.5mm测一组数据所以i=15代表8mm水膜，实际i值根据水膜测量精度选择；

b、对温度分段线性插值，得到不同温度T下的幅度值A（T，H[i]）和相位值P（T，H[i]），其中T∈[T[1],T[4]]，i值不变；

当T[1]< T< T[2]< T[3]< T[4]时，

当T[1]< T[2] <T < T[3]< T[4]时，

当T[1] < T[2]< T[3]< T< T[4]时，

当T< T[1] 或 T[4]< T时，设定相应的水膜测试边界条件。

c、测量当前温度T₀，得到当前温度T₀下对应的一组幅度值A（T₀，H[i]）和相位值P（T₀，H[i]）；

d、当前温度下，对水膜厚度H分段线性插值得到一定精度下的幅度值A（T₀，H[j]）和相位值P（T₀，H[j]）,其中j={0,1,2,3,…,80}共81组数据，j=1代表水膜厚度0.1mm，依次类推得到j=80代表水膜厚度8.0mm,这样就得将水膜厚度分辨率提高到0.1mm，实际插值j根据水膜分辨率设定；

当0mm≤H<1mm时，

当1mm≤H<8mm时

    当H=8mm时，

；  

e、硬件测量得到当前温度T₀和水膜厚度H₀下的幅度值A（T0，H0）和相位值P（T₀，H₀），运用查找最小二乘法在幅度值A（T₀，H[j]）和相位值P（T₀，H[j]）查找到最合适的二维点，即min={ [A（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²+[P（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²）}对应的j值,得到此时当前水膜厚度H₀ =j×0.1mm。

最小二乘法：

a、设初始最小值min={ [A（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²+[P（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²）}，j=0;

b、顺序在表3中查找，当min>{ [A（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²+[P（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²）}，j∈{1,2,3,…,80}时,替换最小值min={ [A（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²+[P（T₀，H[j]）- A（T₀，H₀）]²）}，此时最小值代表的j点即为和当前水膜厚度最接近的点，即为标定点;

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1. 一种基于双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤a、测量不同温度T_k下不同水膜厚度H_i对应的幅度值A_ik和相位值P_ik,

其中k={1,2,…,n},n代表选取温度值的个数，实际T_k值根据温度测量范围决定；i={1,2,…,m}，m代表选取水膜厚度值的个数，水膜厚度H_i值根据水膜厚度测量精度选择；

步骤b、测量当前温度T₀，对温度分段线性插值，得到当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0，其中T₀∈[T₁,T_n]；

步骤c、对水膜厚度H分段线性插值，每段插入x个点，x为自然数，得到水膜厚度H下的幅度值A（T₀，H_j）和相位值P（T₀，H_j）； T₀为当前温度， H_j为不同水膜的厚度；

步骤d、实时测量得到当前温度T₀和水膜厚度H下的幅度值A（T₀，H）和相位值P（T₀，H），运用最小二乘法查到最合适的二维点，即min={ [A（T₀，H_j）- A（T₀，H）]²+[P（T₀，H_j）- A（T₀，H）]²）}对应的j值,得到此时当前水膜厚度H；

水膜厚度H下的幅度值A和相位值P；当前温度T₀ ，j代表差值后水膜点个数。

2. 根据权利要求1所述的基于双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法，步骤b中，温度分段线性差值为：当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0分别为：

当T₀∈[T_a,T_a+1]，a∈[1,n-1]时，

当T₀< T₁ 或 T_n< T₀时，设定相应的水膜测试边界条件；

其中，A_ma代表温度T_a下水膜厚度H_m时幅度值，A_m(a+1) 代表温度T_a+1下水膜厚度H_m时幅度值，P_ma代表温度T_a下水膜厚度H_m时相位值，P_m(a+1) 代表温度T_a+1下水膜厚度H_m时相位值。

3. 根据权利要求1所述的基于双线性插值算法的水膜厚度检测传感器实现方法，步骤c中水膜厚度H分段线性差值为：

H∈[H_b,H_b+1]，b∈[1,m-1]

当前温度值T₀下的幅度值A_j0和相位值P_j0：

x为对水膜厚度H分段线性插值，每段插入的点数；m代表选取测量水膜厚度值的个数，y代表每个差值区间计算值，j代表差值后水膜点个数；

当前温度下的幅度值A_m0和相位值P_m0；

其中A_（b+1）0， A_b0当前温度下的幅度值，P_（b+1）0,P_b0均为当前温度下的相位值。

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