CN105466928A - 一种浊度传感器的标定处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浊度传感器的标定处理方法，由微处理器根据实时的感测信号数据，来控制完成其标定过程中浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间标定对应关系的确定操作，不仅大大减少了人工操作的工作量，而且避免了标定过程对人为估计定时静置时间的依赖，由微处理器把握和判定标定的准确性，较好的保证了浊度传感器的浊度感测信号值与标定液的真实浊度值相对应起来，有效地解决了现有技术中浊度传感器的标定准确性容易受到人为操作因素的限制而影响其测量准确度的问题；该标定处理方法可以通过计算机编程技术编写程序并载入浊度传感器的微处理器，使得微处理器实现对标定处理的控制，适宜于工业应用实现，具有很好的实际应用价值。

Description

一种浊度传感器的标定处理方法

技术领域

本发明涉及传感器技术和水质监测技术领域，特别涉及一种浊度传感器的标定处理方法。

背景技术

浊度是水体光学性质的一种特征参数，反映了水体的洁净程度和卫生状况，它不但是衡量水质良好程度的重要指标之一，也是考核水处理效果的重要依据。浊度传感器是水体浊度在线检测的有效工具，在使用之前需要进行标定，以确保浊度传感器的检测精度。

浊度传感器标定的含义是确定传感器的感测信号值(光电转换电压值)与输出的浊度值之间的对应关系，从而对浊度传感器赋予浊度分度值。通常，对浊度传感器进行标定的方法是：分别使用多种不同浊度的标定液对浊度传感器进行多点标定，在使用每种标定液对浊度传感器进行一个浊度感测信号值与浊度值对应关系的标定过程中，需要将标定液浊度值录入至浊度传感器，并通过人工操作，根据标定操作人员的经验进行定时静置，然后控制浊度传感器读取定时静置后的浊度感测信号值，浊度传感器的微处理器便记录此时的浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系，作为一组点值标定结果；在完成多种不同浊度的标定液对浊度传感器的多点标定后，由浊度传感器的微控制器根据设定的拟合程序，对得到的多组点值标定结果进行多点线性拟合，进而确定其浊度感测信号与浊度值的对应关系曲线，完成标定。

然而，在浊度传感器的标定过程中，光电转换电压读数存在不停波动情况。一方面，由于标定液体的摇匀、倒取和传感器的插入等动作，会使标定液体内部产生气泡，因此在初期需要静置标定液体，以便消除标定液体中的气泡；这段初期时间内传感器的光电转换电压读数会持续的出现明显波动下降的趋势。另一方面，在标定液体消泡过后，由于被测液体中的悬浮颗粒存在布朗运动和缓慢聚合、沉降等的综合运动，因此即使标定液体气泡已经消除，在后期浊度传感器的光电转换电压读数仍然会因为标定液体内悬浮颗粒开始沉降而出现连续波动；特别是在使用较高浊度值的标定液时，在后期悬浮颗粒沉降更加显著，此时光电转换电压读数波动情况容易呈现下降趋势。在标定液消泡、沉降的这两个时间段之间，有一个标定液的浊度相对稳定的时间段，这个时间段能够最佳地反映标定液的真实浊度情况，是读取光电转换电压(感测信号值)的较佳时机，以得到较为准确的浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系，从而更好地确保浊度传感器标定准确，保证浊度传感器具备良好的测量准确度。因此，如何从连续波动的光电转换电压读数中，判定气泡消除完成，并进行及时数据读取，是浊度传感器标定过程需要解决的工程问题。但是，传统的标定处理方式中，往往都是根据标定操作人员的经验进行定时静置，然后直接读数，容易因为人为估算定时静置时间错误而容易造成消泡时间过短或过长，造成消泡不完全或者标定液开始沉降的情况，错过标定的最佳时间段，从而影响浊度传感器的测量准确度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种浊度传感器的标定处理方法，用以通过浊度传感器的微控制器控制完成其标定过程中浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间标定对应关系的确定操作，且更好地确保标定的准确性，从而避免标定过程对人为估计定时静置时间的依赖，解决现有技术中浊度传感器的标定准确性容易受到人为操作因素的限制而影响其测量准确度的问题。

为实现上述目的，本发明采用的一个技术手段是：

一种浊度传感器的标定处理方法，用于在通过标定液对浊度传感器进行标定的过程中，由浊度传感器的微控制器获取录入至浊度传感器的标定液浊度值，并指执行标定处理，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系；

所述浊度传感器的微控制器执行标定处理的具体方式为，微控制器按照预设定的采样频率f_s进行浊度感测信号值的采样，并按照预设定的单位时间周期时长T₀，以单位时间周期作为间隔，对采样的浊度感测信号值加以计算和判断，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系；微控制器执行标定处理的流程具体包括如下步骤：

1)在浊度传感器启动标定操作时，令单位时间周期计数t＝1，且开始执行单位时间周期的计时；

2)在计时至当前的第t个单位时间周期结束时，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值

3)判断当前单位时间周期计数t的值是否达到预设定的最小采样周期数n；若t≥n，执行步骤4)；若t<n，则执行步骤7)；

4)计算当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的方差值V_ar：

$V_{ar}=\frac{1}{n}\underset{i=t-n+1}{\overset{t}{\&Sigma;}}{({\stackrel{\&OverBar;}{v}}_i-{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n)}^2;$

其中，表示当前最近n个单位时间周期中第i个单位时间周期的感测信号平均值，i∈{t-n+1,t-n+2,…,t}；表示当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的平均值，即：

${\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n=\frac{1}{n}\underset{i=t-n+1}{\overset{t}{\&Sigma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}_i;$

5)计算当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的离散率R_n：

$R_n=V_{ar}/{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n;$

6)判断当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的离散率R_n是否小于预设定的离散稳定性阈值H；若R_n<H，则执行步骤8)；否则，执行步骤7)；

7)单位时间周期计数t自加1，然后跳转至步骤2)；

8)将当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的平均值判定为所录入的标定液浊度值所对应的浊度感测信号值，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系。

上述浊度传感器的标定处理方法中，作为一种可选择方案，所述步骤2)中，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值的具体方式为：

${\stackrel{\&OverBar;}{v}}_t=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{v}_j;$

其中，m表示当前的第t个单位时间周期内采样浊度感测信号值的总次数，v_j表示当前的第t个单位时间周期内第j次采样的浊度感测信号值，j∈{1,2,…,m}。

上述浊度传感器的标定处理方法中，作为另一种可选择方案，所述步骤2)中，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值的具体方式为：首先根据预先设定的淘汰比例阈值θ，从当前的第t个单位时间周期内采样的m个浊度感测信号值中，丢弃由大至小排列的靠前的个和靠后的个浊度感测信号值；然后，对剩余的个浊度感测信号值取平均值，得到当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值其中，表示对m·θ的计算结果向上取整，即的值为满足的整数值。

上述浊度传感器的标定处理方法中，作为优选方案，所述淘汰比例阈值θ的取值范围为0.1～0.3。

上述浊度传感器的标定处理方法中，作为优选方案，所述采样频率f_s的取值范围为10～200Hz。

上述浊度传感器的标定处理方法中，作为优选方案，所述单位时间周期时长T₀的取值满足且T₀小于或等于2秒。

上述浊度传感器的标定处理方法中，作为优选方案，所述最小采样周期数n的取值范围为30～200。

上述浊度传感器的标定处理方法中，作为优选方案，所述离散稳定性阈值H的取值范围为0.00001～0.001。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明浊度传感器的标定处理方法，是通过浊度传感器的微控制器控制，来完成其标定过程中浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间标定对应关系的确定操作，不仅大大减少了人工操作的工作量，而且避免了标定过程对人为估计定时静置时间的依赖，由微处理器根据实时的感测信号数据很好地把握和判定标定的准确性，较好的保证了浊度传感器的浊度感测信号值与标定液的真实浊度值相对应起来，有效地解决了现有技术中浊度传感器的标定准确性容易受到人为操作因素的限制而影响其测量准确度的问题。

2、本发明浊度传感器的标定处理方法，还能够通过对各个单位时间周期内感测信号平均值计算处理方法的改进，排除一些可能因为浊度传感器漂移、不稳定等而引起浊度感测信号失真的情况，仅保留可信度较高的浊度感测信号参与计算，以使得标定结果更加准确，进一步保证标定准确性。

3、本发明浊度传感器的标定处理方法，可以通过计算机编程技术编写程序并载入浊度传感器的微处理器，使得微处理器实现对标定处理的控制，适宜于工业应用实现，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明浊度传感器的标定处理方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明浊度传感器的标定处理方法进行进一步的说明。

本发明提出了一种浊度传感器的标定处理方法，该方法用于在通过标定液对浊度传感器进行标定的过程中，由浊度传感器的微控制器获取录入至浊度传感器的标定液浊度值，并指执行标定处理，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系；其中，浊度传感器的微控制器执行标定处理的具体方式为，微控制器按照预设定的采样频率f_s进行浊度感测信号值的采样，并按照预设定的单位时间周期时长T₀，以单位时间周期作为间隔，对采样的浊度感测信号值加以计算和判断，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系。在本发明浊度传感器的标定处理方法中，微控制器执行标定处理的流程如图1所示，具体包括如下步骤：

1)在浊度传感器启动标定操作时，令单位时间周期计数t＝1，且开始执行单位时间周期的计时；

2)在计时至当前的第t个单位时间周期结束时，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值

3)判断当前单位时间周期计数t的值是否达到预设定的最小采样周期数n；若t≥n，执行步骤4)；若t<n，则执行步骤7)；

4)计算当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的方差值V_ar：

$V_{ar}=\frac{1}{n}\underset{i=t-n+1}{\overset{t}{\&Sigma;}}{({\stackrel{\&OverBar;}{v}}_i-{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n)}^2;$

其中，表示当前最近n个单位时间周期中第i个单位时间周期的感测信号平均值，i∈{t-n+1,t-n+2,…,t}；表示当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的平均值，即：

${\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n=\frac{1}{n}\underset{i=t-n+1}{\overset{t}{\&Sigma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}_i;$

5)计算当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的离散率R_n：

$R_n=V_{ar}/{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n;$

6)判断当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的离散率R_n是否小于预设定的离散稳定性阈值H；若R_n<H，则执行步骤8)；否则，执行步骤7)；

7)单位时间周期计数t自加1，然后跳转至步骤2)；

8)将当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的平均值判定为所录入的标定液浊度值所对应的浊度感测信号值，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系。

通过上述流程可以看到，本发明浊度传感器的标定处理方法，是通过浊度传感器的微控制器控制，来完成其标定过程中浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间标定对应关系的确定操作；在其控制过程中，微控制器按照预设定的采样频率f_s进行浊度感测信号值的采样，并按照预设定的单位时间周期时长T₀，统计每个单位时间周期内的感测信号平均值且需要至少完成n个单位时间周期的采样后，统计最近n个单位时间周期的感测信号平均值的离散率R_n，与预设定的离散稳定性阈值H进行比较；如果该离散率R_n≥H，表明最近n个单位时间周期中浊度传感器的浊度感测信号值还不够稳定，很可能是因为标定液体内的气泡处于逐步消散过程中，引起光电转换电压读数在最近n个单位时间周期内出现持续的波动，引起感测信号平均值的离散率较大；而如果该离散率满足R_n<H，则表明最近n个单位时间周期中浊度传感器的浊度感测信号值已经足够稳定，意味着标定液的消泡过程已经结束，在最近n个单位时间周期的时段内标定液已进入浊度稳定且最能反映其真实浊度值的时期，是读取光电转换电压值的较佳时段，因此将当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的平均值判定为所录入的标定液浊度值所对应的浊度感测信号值，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系，即确定了一组点值标定结果。由此确定的点值标定结果，较好的保证了浊度传感器的浊度感测信号值与标定液的真实浊度值相对应起来。因此，若分别使用多种不同浊度的标定液对浊度传感器进行多点标定，由浊度传感器的微控制器按本发明的标定处理方法分别确定出多组较为准确的点值标定结果后，其通过多点线性拟合而确定的浊度感测信号与浊度值的对应关系曲线就能够更加的准确，从而保证浊度传感器具备良好的测量准确度。

本发明的标定处理方法，可以通过计算机编程技术编写程序并载入浊度传感器的微处理器，使得微处理器按照上述流程实现对标定处理的控制。由此以来，在每次执行标定操作时，只需要在浊度传感器的测量池中注入标定液后，通过一个启动信号通知微处理器启动执行标定操作，后续的标定处理过程便能够由浊度传感器的微控制器控制自动完成，不仅大大减少了人工操作的工作量，而且避免了标定过程对人为估计定时静置时间的依赖，由微处理器根据实时的感测信号数据很好地把握和判定标定的准确性，有效地解决了现有技术中浊度传感器的标定准确性容易受到人为操作因素的限制而影响其测量准确度的问题，具有很好的实际应用价值。

本发明浊度传感器的标定处理方法中，涉及到一些控制参数，这些控制参数对于标定过程的准确性也有较为重要的意义。例如，浊度传感器的微控制器进行浊度感测信号值采样的采样频率f_s，优选取值范围优选为10～200Hz；因为采样频率过低，可能会因相邻两次采样之间液体中悬浮物沉降变化较大而导致相邻两次采样值差异较大，影响标定准确性；而采样频率过高，虽然能够很好的避免前述问题而更好地保证标定准确性，但会导致数据采集量过大，进而导致数据处理量大幅增加，降低标定处理过程的整体运算处理效率；因此，基于通常情况下作为标定液的悬浊液中悬浮物的沉降速度对浊度传感器标定的影响情况分析，采样频率适宜在10～200Hz之间，以同时避免相邻两次采样值差异过大以及数据处理量过大的问题。而单位时间周期时长T₀的取值，最好能够满足也就是说，每个单位时间周期内，最好能够至少采集10次数据来加以计算，避免计算数据量过小而导致偶然误差增加，影响标定准确性；例如，如果采样频率f_s设为10Hz，单位时间周期时长T₀设为1秒钟，则一个单位时间周期内就可以采集10次数据了；若采样频率f_s的值设置得更高，则1秒钟的单位时间周期时长T₀以内就能够采集更多次的数据；但单位时间周期时长T₀最好不要超过2秒，以避免一个单位时间周期以内的采样数据变化幅度过大，而影响标定准确性。最小采样周期数n的取值范围最好在30～200之间，因为标定液的消泡过程较为缓慢，若最小采样周期数n的取值过小，容易导致将标定液消泡过程中的短时稳定时期误判为浊度稳定时期，引起微处理器在标定液消泡期间便执行标定判定，影响标定结果的准确性；而如果采样周期数n的取值过大，则可能导致标定液的实际浊度稳定时期无法容纳完整的n个单位时间周期，引起微处理器误认为标定液的浊度稳定时期始终没有到来，从而无法得出标定结果的问题。离散稳定性阈值H的取值范围最好在0.00001～0.001之间，离散稳定性阈值H的取值过大会增加标定结果的误差，而取值过小则会引起判定条件过于严苛而难以得出有效的标定判定结果。

此外，在本发明浊度传感器的标定处理方法中，浊度传感器的微处理器在执行步骤2)的过程中，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值的具体方式，还可以采用多种形式。例如，可以直接计算当前的第t个单位时间周期内各个浊度感测信号值的平均值作为感测信号平均值即其中，m表示当前的第t个单位时间周期内采样浊度感测信号值的总次数，v_j表示当前的第t个单位时间周期内第j次采样的浊度感测信号值，j∈{1,2,…,m}。除此之外，如果为了更好地保证标定准确性，可以首先根据预先设定的淘汰比例阈值θ，从当前的第t个单位时间周期内采样的m个浊度感测信号值中，丢弃由大至小排列的靠前的个和靠后的个浊度感测信号值，然后，对剩余的个浊度感测信号值取平均值，得到当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值其中，表示对m·θ的计算结果向上取整，即的值为满足的整数值；这样以来，可以排除一些可能因为浊度传感器漂移、不稳定等而引起浊度感测信号失真(过大或过小)的情况，仅保留可信度较高的浊度感测信号参与计算，以使得标定结果更加准确。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，用于在通过标定液对浊度传感器进行标定的过程中，由浊度传感器的微控制器获取录入至浊度传感器的标定液浊度值，并指执行标定处理，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系；

所述浊度传感器的微控制器执行标定处理的具体方式为，微控制器按照预设定的采样频率f_s进行浊度感测信号值的采样，并按照预设定的单位时间周期时长T₀，以单位时间周期作为间隔，对采样的浊度感测信号值加以计算和判断，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系；微控制器执行标定处理的流程具体包括如下步骤：

1)在浊度传感器启动标定操作时，令单位时间周期计数t＝1，且开始执行单位时间周期的计时；

2)在计时至当前的第t个单位时间周期结束时，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值

3)判断当前单位时间周期计数t的值是否达到预设定的最小采样周期数n；若t≥n，执行步骤4)；若t<n，则执行步骤7)；

4)计算当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的方差值V_ar：

$V_{ar}=\frac{1}{n}\underset{i=t-n+1}{\overset{t}{\&Sigma;}}{\left({\stackrel{\&OverBar;}{v}}_i-{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n\right)}^2;$

其中，表示当前最近n个单位时间周期中第i个单位时间周期的感测信号平均值，i∈{t-n+1,t-n+2,…,t}；表示当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的平均值，即：

${\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n=\frac{1}{n}\underset{i=t-n+1}{\overset{t}{\&Sigma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}_i;$

5)计算当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的离散率R_n：

$R_n=V_{ar}/{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}}_n;$

6)判断当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的离散率R_n是否小于预设定的离散稳定性阈值H；若R_n<H，则执行步骤8)；否则，执行步骤7)；

7)单位时间周期计数t自加1，然后跳转至步骤2)；

8)将当前最近n个单位时间周期的感测信号平均值的平均值判定为所录入的标定液浊度值所对应的浊度感测信号值，确定浊度感测信号值与所录入的标定液浊度值之间的标定对应关系。

2.根据权利要求1所述浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值的具体方式为：

${\stackrel{\&OverBar;}{v}}_t=\frac{1}{m}\underset{j=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{v}_j;$

其中，m表示当前的第t个单位时间周期内采样浊度感测信号值的总次数，v_j表示当前的第t个单位时间周期内第j次采样的浊度感测信号值，j∈{1,2,…,m}。

3.根据权利要求1所述浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，所述步骤2)中，根据当前的第t个单位时间周期内采样得到的各个浊度感测信号值，计算当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值的具体方式为：首先根据预先设定的淘汰比例阈值θ，从当前的第t个单位时间周期内采样的m个浊度感测信号值中，丢弃由大至小排列的靠前的个和靠后的个浊度感测信号值；然后，对剩余的个浊度感测信号值取平均值，得到当前的第t个单位时间周期的感测信号平均值其中，表示对m·θ的计算结果向上取整，即的值为满足的整数值。

4.根据权利要求3所述浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，所述淘汰比例阈值θ的取值范围为0.1～0.3。

5.根据权利要求1所述浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，所述采样频率f_s的取值范围为10～200Hz。

6.根据权利要求1所述浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，所述单位时间周期时长T₀的取值满足且T₀小于或等于2秒。

7.根据权利要求1所述浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，所述最小采样周期数n的取值范围为30～200。

8.根据权利要求1所述浊度传感器的标定处理方法，其特征在于，所述离散稳定性阈值H的取值范围为0.00001～0.001。