CN104154944A - 一种提高传感器测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高传感器测量精度的方法，用于实现传感器在全工作温度范围内的零位、标度因数、高阶非线性系数的标定，该方法通过以下步骤实现：(1)建立被测量参数与温度、传感器输出值、全温区标定系数的数学模型；(2)获取传感器的输出值和当前温度；(3)根据步骤(1)建立的数学模型，计算得到被测量数值。本方法可以有效的减小温度效应对传感器测量精度的影响，在航空、航天等高尖端技术领域有着广阔的应用前景。

Description

一种提高传感器测量精度的方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种能够消除温度对传感器测量精度影响的方法。

背景技术

传感器在航空、航天等诸多领域都有着重要的用途，但其测量精度常常受到温度的影响，为了让传感器正确的反应被测参数，一般都需要对传感器进行标定，标定一般都在室温下进行，但是在工程应用中，传感器的工作环境温度发生变化时，它内在的温度特性使它的输出会有较大的偏差，如果不加以补偿，在测量过程当中会有较大的误差，进而影响系统的测试精度。因此，研究传感器的温度特性并对其进行补偿就显得尤为重要。目前常用硬件或软件的方式进行补偿。硬件补偿一般通过改变过载传感器的结构、材料、工艺和工作环境等方法来提高其精度，但补偿过程复杂，较难实现。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种能够简便高效实现传感器的全温区标定方法，进而通过降低温度效应，提高传感器测量精度。

本发明的技术解决方案是：一种传感器全温区标定方法，用于实现传感器在全工作温度范围内的零位、标度因数、高阶非线性系数的标定，该方法通过以下步骤实现：

(1)建立被测量参数与温度、传感器输出值以及全温区标定系数的数学模型，所述数学模型如下：

$Y=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Tij}}{\mathrm{Temp}}^j\right)X^i$

式中，Y为被测量，X为传感器输出，Temp为温度，K_Tij为全温区标定系数，m为温度拟合阶数，n为被测量与传感器输出之间拟合阶数，m，n均为正整数。

(2)获取一个传感器的输出值Xr及当前温度tempr；

(3)将所获取的传感器输出值Xr和当前温度tempr代入步骤(1)的数学模型，计算得到待测量参数Yr。

所述全温区标定系数K_Tij的按以下方法计算：

(1)设定一组被测量Y及相应的传感器输出X，分别在T_p(p＝1～s)温度下进行该组被测量Y及传感器对应的输出X做n阶多项式拟合，分别获得T_p(p＝1～s)下对应的参数k_i(i＝0～n)；

(2)从i＝0开始对k_i及其对应温度T_p(p＝1～s)做m阶多项式拟合，获得高次项全温区标定系数K_Tij(i＝0,j＝0～m)，以此类推，对k_i(i＝1～n)及其对应温度T_p(p＝1～s)做m阶多项式拟合，最终获得所有全温区标定系数K_Tij(i＝0～n,j＝0～m)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明方法在传感器标定的过程中考虑了温度效应的影响，通过建立温度、传感器输出和待测量的数学模型，使温度效应对传感器测量精度的影响降低一个数量级，大大提高了测量精度。

(2)本发明的方法步骤简单，易于实现，通过给出不同温度下输入测量值及传感器输出，即可通过多次项拟合得到全温区标定系数，进而通过本发明的数学模型精确计算不同温度下的测量信号值；且无需对传感器硬件进行改进，节约了成本，在航空、航天及其它要求使用传感器进行高精度测量的领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明过载传感器的全温区标定系统简图。

具体实施方式

下面结合量程1g的过载传感器的全温区标定系数的具体计算方法对本发明做进一步描述，其中，计算全温区标定系数的系统如图1所示，包括温箱、转台、数据采集设备、PC机、转台控制柜以及温度传感器，其中，温度传感器用于检测温度。

过程如下：将待测过载传感器安装在带转台的温箱内，设置温箱以1℃/min速率从-40℃～125℃升温。转台转动一周为一个循环，在整个温度变化范围内共转动t个循环，每个循环过程中设定转台在[-1g，-0.8g,…0.8g，1g]共10个位置点静止不动。设第一个转动循环中PC机控制测试工装采集温箱温度为T(1)，过载传感器输出为X[1:10]。以这次循环的过载输入Y＝[-1g，-0.8g,…0.8g，1g]为因变量，传感器输出X[1:10]为自变量做n＝3阶多项式拟合，可以在matlab中通过指令k[1:n+1]＝polyfit(X，Y，n)获得参数k[1:n+1]，记为当前温度T(1)下的参数K[1,1:n+1]，即T(1)温度下的k_i(i＝0～n)。在后续的转动循环过程中重复以上过程，直到温箱温度上升到125℃，设一共完成s个循环数据采集，最终获得参数K[1:s,1:n+1]，T[1:s]，即为T_p(p＝1～s)下对应的参数k_i(i＝0～n)。

以K[1:s,1:n+1]中的三次项系数K[1:s,1]为因变量，T[1:s]为自变量做m＝3阶多项式拟合，可以在matlab中通过指令k_T[1:m+1]＝polyfit(T[1:s]，K[1:s,1]，m)获得标定系数，记为三次项全温区标定系数K_T[1:m+1,1]，以此类推获得二次项、一次项、常数项全温区标定系数，最终获得全温区标定系数K_T[1:m+1,1:n+1]，即为全温区标定系数K_Tij(i＝0～n,j＝0～m)。

在实际使用过程中，根据计算所得参数K_T[1:m+1,1:n+1]及当前温度temp(T₁＜temp＜T_s)，通过指令polyval(K_T[1:m+1,1:n+1]，temp，m)计算得到当前温度下的K[1:n+1]，即为Ki(i＝0～n)，Ki(i＝0～n)分别为三次项、二次项、一次项和常数项在当前温度下的标定系数，结合当前传感器输出volt，通过指令accl＝polyval(K[1:n+1]，volt，n)计算得到当前过载值accl，accl即为所求加速度的过载值Y。

Claims (2)

1.一种提高传感器测量精度的方法，其特征在于：该方法通过以下步骤实现：

(1)建立被测量参数与温度、传感器输出值以及全温区标定系数的数学模型，所述数学模型如下：

$Y=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left(\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{Tij}}{\mathrm{Temp}}^j\right)X^i$

式中，Y为被测量，X为传感器输出，Temp为温度，K_Tij为全温区标定系数，m为温度拟合阶数，n为被测量与传感器输出之间拟合阶数，m，n均为正整数。

(2)获取一个传感器的输出值Xr及当前温度tempr；

(3)将所获取的传感器输出值Xr和当前温度tempr代入步骤(1)的数学模型，计算得到待测量参数Yr。

2.根据权利要求1所述的一种提高传感器测量精度的方法，其特征在于：所述全温区标定系数K_Tij按以下方法计算：

(1)设定一组被测量Y及相应的传感器输出X，分别在T_p(p＝1～s)温度下进行该组被测量Y及传感器对应的输出X做n阶多项式拟合，分别获得T_p(p＝1～s)下对应的参数k_i(i＝0～n)；

(2)从i＝0开始对k_i及其对应温度T_p(p＝1～s)做m阶多项式拟合，获得高次项全温区标定系数K_Tij(i＝0,j＝0～m)，以此类推，对k_i(i＝1～n)及其对应温度T_p(p＝1～s)做m阶多项式拟合，最终获得所有全温区标定系数K_Tij(i＝0～n,j＝0～m)。