CN105953946A - 一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法 - Google Patents

一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法。将3组固定阻值电阻分别接入光纤陀螺温控装置测温电路中,该固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路输入信号进行虚拟温度数据采集,除去温度数值不是恒定值的虚拟温度数据,利用最小二乘算法分别对三组虚拟温度数据进行拟合,在满足拟合误差指标同时得到温度系数,最后利用固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入进行测量,并与固定阻值电阻对应的标准温度值进行比较,若误差小于0.03℃则完成标定,否则需要检查温控装置电路板并重新标校。本发明具有操作简单、标定精确的特点,进而提高光纤陀螺测温精度。

Description

一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法
技术领域
本发明属于光纤陀螺温度控制领域,尤其涉及一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法。
背景技术
光纤陀螺作为惯性导航中的理想器件,具有全固态、可靠性高、可瞬时启动、无机械转动部件、结构简单等优点,成为当今船舶惯性导航领域竞争力极强的新型陀螺仪。但是温度因素是光纤陀螺研制和工程化过程中亟需解决的重要课题,光纤陀螺中光学器件的性能受温度因素影响很大,由于光纤环中存在温度梯度效应,产生的热量会导致非互易性噪声,严重影响光纤陀螺的输出精度。因此,采用温度控制系统对光纤陀螺仪的工作环境进行恒温控制,解决温度因素对光纤陀螺内部元器件的影响,从而提高光纤陀螺的输出精度。对光纤陀螺实现精确温度控制的前提是保障测温精度,然而在实际温度测量电路中,由于很难保证元器件电阻值与设计值完全吻合,而且元器件的不同特性、连接线路电阻、测温电路供电电源的稳定性、人为操作带来的误差等都会影响温度测量电路的输出,从而影响最终温度测量的精度,因此需要对温度测量系数进行补偿校正以便达到高精度输出。
在众多温度测量方案中测温电桥是比较常见的一种,它测量原理简单、灵敏度高且应用十分广泛。测温电桥的原理是把反映温度变化的电阻等参数的变化换成电压或电流的变化,从而便于信号的放大和处理。本发明所提到的光纤陀螺温控装置温度测量电路采用的是恒压源单臂电桥测温电路,测温电路中的温度传感器选用的是准确度高、测温范围广、稳定性好的铂电阻。然而电桥输出电压与铂电阻阻值变化不是线性关系,使得测温计算变得困难且精度不高,很难满足高精度的测温要求。因此,需要对电桥的测量结果进行补偿校正,本发明提出一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,通过重新标定温度系数,以达到更高的测温精度的测温需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高测温精度的,于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法。
一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,包括以下步骤:
步骤一:将光纤陀螺安装在温控装置中;
步骤二:取固定阻值电阻A接入光纤陀螺温控装置测温电路中,该固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号,进行虚拟温度数据采集,采集虚拟温度数据t分钟,计算机接收并保存虚拟温度数据;
步骤三:取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C,重复步骤二进行虚拟温度数据采集;
步骤四:将得到的3组虚拟温度数据中温度数值不是恒定值的虚拟温度数据去除,只保留数值恒定的虚拟温度数据并保存成txt格式;
步骤五:导入得到的3组txt格式的虚拟温度数据,通过最小二乘算法分别对3组txt格式的虚拟温度数据进行拟合,得到温度系数;若拟合误差小于等于0.03℃,则保存得到的温度系数,实现初步标定;若拟合误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板从步骤一重新开始操作;
步骤六:将步骤五中初步标定得到的温度系数重新编写入光纤陀螺温控装置的单片机中;
步骤七:对步骤五中初步标定得到的温度系数进行测试;
再次运行系统,利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号,进行温度测量;将测量的得到的3个虚拟温度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个标准温度值进行比较,若温度误差小于等于0.03℃则完成标定;若温度误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板并从步骤一开始重新标定。
本发明一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,还可以包括:
1、固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成。
2、基于最小二乘拟合算法,采用数据拟合的方式对温度系数进行标定,温度数据拟合表达式为:T标准=k*T虚拟+b,式中,T标准表示固定阻值电阻所对应的标准温度值,T虚拟表示利用固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号测量得到的虚拟温度值,k、b表示标定得到的温度系数。
3、固定阻值电阻对应的标准温度值由铂电阻阻值与温度值的对应关系计算得到。
有益效果:
(1)基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,能实现对测温电桥输出的电压信号与铂电阻温度传感器电阻值之间非线性关系的有效补偿,提高测温电桥的输出精度。
(2)基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,操作简单、易于实现,在提高测温电路测温精度的同时,间接提高了控温精度,有效保障了光纤陀螺工作环境温度的稳定性,有利于提高其输出数据的精度。
(3)基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,不受周围环境温度影响,可以在室温条件下完成标定工作。
(4)基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,在进行温度系数初步标定时,若拟合误差大于0.03℃则可以协助判定温控装置测温电路是否出现故障。
附图说明
图1基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法流程图;
图2基于最小二乘算法的测温曲线拟合结果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步详细说明
本发明的目的在于提供一种实现基于最小二乘算法的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,解决针对测温电路输出电压和温度传感器电阻值不是线性关系的问题,通过标定得到高精度的温度系数。该方法操作简单且大大提高了光纤陀螺温控装置测温电路输出电压和温度传感器电阻值的线性度,进而保障了测温精度。
本发明的目的是这样实现的:一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法实现步骤如下:
(1)将光纤陀螺安装在温控装置中,同时将温控程序下载到温控装置电路板的单片机中;
(2)取固定阻值电阻A接入光纤陀螺温控装置测温电路中,该固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号,进行虚拟温度数据采集,采集虚拟温度数据5分钟,计算机利用温度数据接收软件接收并保存虚拟温度数据;
所涉及的固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成;
(3)取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C,重复步骤(2)进行虚拟温度数据采集,得到3组虚拟温度数据;将得到的3组虚拟温度数据中温度数值不是恒定值的虚拟温度数据去除,只保留数值恒定的虚拟温度数据并保存成txt格式;
(4)运行MATLAB软件,导入步骤(3)中得到的3组txt格式的虚拟温度数据,通过最小二乘算法分别对3组txt格式的虚拟温度数据进行拟合,得到温度系数;若拟合误差小于等于0.03℃,则保存得到的温度系数,实现初步标定;若拟合误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板从步骤(1)重新开始操作;
(5)将步骤(4)中初步标定得到的温度系数重新编写入光纤陀螺温控装置的温控程序中,并下载到温控装置电路板的单片机中;
(6)对步骤(4)中初步标定得到的温度系数进行测试;
再次运行系统,利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号,进行温度测量;将测量的得到的3个虚拟温度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个标准温度值进行比较,若温度误差小于等于0.03℃则完成标定;若温度误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板并从步骤(1)开始重新标定。
基于最小二乘拟合算法所依据的准则是使拟合误差的平方和达到最小,采用数据拟合的方式对温度系数进行标定,温度数据拟合表达式为:T标准=k*T虚拟+b,式中,T标准表示固定阻值电阻所对应的标准温度值,T虚拟表示利用固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号测量得到的虚拟温度值,k、b表示标定得到的温度系数。
固定阻值电阻对应的标准温度值由铂电阻阻值与温度值的对应关系计算得到。
本发明涉及一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,将3组固定阻值电阻分别接入光纤陀螺温控装置测温电路中,该固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路输入信号进行虚拟温度数据采集,除去温度数值不是恒定值的虚拟温度数据并保存成txt格式,运行MATLAB软件分别导入3组虚拟温度数据,利用最小二乘算法分别对三组虚拟温度数据进行拟合,在满足拟合误差指标同时得到温度系数,最后利用固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入进行测量,并与固定阻值电阻对应的标准温度值进行比较,若误差小于0.03℃则完成标定,否则需要检查温控装置电路板并重新标校。本发明具有操作简单、标定精确的特点,进而提高光纤陀螺测温精度。
如图2所示,给出了基于最小二乘算法的测温曲线拟合结果图。在对测量得到的虚拟温度数据和固定电阻值对应的标准温度数据使用最小二乘算法进行数据拟合时发现:拟合范围越小,线性度越强。因此采用分段线性拟合的方法。本发明在使用最小二乘算法对温度数据进行分段拟合时的具体做法如下:将测温电路的测温范围分成几个段,在每个分段的温度范围内对应选取几个不同阻值的固定电阻,首先测出其真实的电阻值,通过铂电阻温度传感器电阻值与温度值的对应关系计算得到固定电阻值所对应的标准温度值T标准。再把固定电阻值接入光纤陀螺温控装置测温电路中,并作为测温电路输入信号测量得到虚拟温度值T虚拟,以T虚拟为横坐标,T标准为纵坐标进行直线拟合。
温度数据拟合表达式为:T标准=k*T虚拟+b,k、b表示标定得到的温度系数。
如图1所示,本发明所述的基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法包括以下步骤:
(1)将光纤陀螺安装在温控装置中,同时将温控程序下载到温控装置电路板的单片机中;
(2)取固定阻值电阻接入光纤陀螺温控装置测温电路中,该固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号进行虚拟温度数据采集,由于光纤陀螺的工作环境温度范围一般为20℃~40℃之间,所以在采用最小二乘算法进行拟合时主要对20℃~40℃范围内的温度数据进行数据拟合;
光纤陀螺温控装置测温电路采用铂电阻Pt1000作为温度传感器,其电阻变化率为3.851Ω/℃,Pt1000在0℃时的电阻值为1kΩ,温度每变化1℃其阻值变化3.851Ω。当铂电阻Pt1000的电阻值为RΩ时,其对应的环境温度值为
根据温度传感器Pt1000电阻值与温度值的对应关系在20℃~40℃范围内选取3个阻值分别为1.101785kΩ、1.131019kΩ、1.151019kΩ的固定电阻值(阻值由Agilent3458A81/2万用表测量),其对应的标准温度值分别为26.125℃、33.70℃、38.865℃,并将该3个固定电阻值作为测温电路的输入信号进行测量,采集虚拟温度数据5分钟,计算机利用温度数据接收软件接收并保存虚拟温度数据;
所涉及的固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成;
(3)取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C,重复步骤(2)进行虚拟温度数据采集,得到3组虚拟温度数据;将得到的3组虚拟温度数据中温度数值不是恒定值的虚拟温度数据去除,只保留数值恒定的虚拟温度数据并保存成txt格式;
将步骤(3)中得到txt格式的虚拟温度数据进行平均,得到的测温结果如下表所示:
(4)运行MATLAB软件,导入步骤(3)中得到的3组txt格式的虚拟温度数据,通过最小二乘算法分别对3组txt格式的虚拟温度数据进行拟合,得到温度系数;若拟合误差小于等于0.03℃,则保存得到的温度系数,实现初步标定;若拟合误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板从步骤(1)重新开始操作;
(5)将步骤(4)中初步标定得到的温度系数重新编写入光纤陀螺温控装置的温控程序中,并下载到温控装置电路板的单片机中;
(6)对步骤(4)中初步标定得到的温度系数进行测试;
再次运行系统,利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号,进行温度测量;将测量的得到的3个虚拟温度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个标准温度值进行比较,若温度误差小于等于0.03℃则完成标定;若温度误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板并从步骤(1)开始重新标定。

Claims (4)

1.一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一:将光纤陀螺安装在温控装置中;
步骤二:取固定阻值电阻A接入光纤陀螺温控装置测温电路中,该固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号,进行虚拟温度数据采集,采集虚拟温度数据t分钟,计算机接收并保存虚拟温度数据;
步骤三:取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C,重复步骤二进行虚拟温度数据采集;
步骤四:将得到的3组虚拟温度数据中温度数值不是恒定值的虚拟温度数据去除,只保留数值恒定的虚拟温度数据并保存成txt格式;
步骤五:导入得到的3组txt格式的虚拟温度数据,通过最小二乘算法分别对3组txt格式的虚拟温度数据进行拟合,得到温度系数;若拟合误差小于等于0.03℃,则保存得到的温度系数,实现初步标定;若拟合误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板从步骤一重新开始操作;
步骤六:将步骤五中初步标定得到的温度系数重新编写入光纤陀螺温控装置的单片机中;
步骤七:对步骤五中初步标定得到的温度系数进行测试;
再次运行系统,利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号,进行温度测量;将测量的得到的3个虚拟温度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个标准温度值进行比较,若温度误差小于等于0.03℃则完成标定;若温度误差大于0.03℃,则检查温控装置电路板并从步骤一开始重新标定。
2.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,其特征在于:所述的固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,其特征在于:所述的基于最小二乘拟合算法,采用数据拟合的方式对温度系数进行标定,温度数据拟合表达式为:T标准=k*T虚拟+b,式中,T标准表示固定阻值电阻所对应的标准温度值,T虚拟表示利用固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号测量得到的虚拟温度值,k、b表示标定得到的温度系数。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法,其特征在于:固定阻值电阻对应的标准温度值由铂电阻阻值与温度值的对应关系计算得到。
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