CN109758703A - 一种用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统及方法，系统包括电容式压力传感器、温度传感器、多路复用器、信号调理电路、存储器电路、数字接口电路、校准系数输入电路、微处理器和无线通信电路，采用多路电容式气压高度传感器，具备温度补偿功能，大大提高了单路电容式气压高度传感器测量精确度，并通过多路电容式气压高度传感器加权融合的算法，完成对气压高度传感器的标定补偿工作，测量精度及安全可靠性比现有产品高很多，提高气压高度传感器的实际工作精度，将气压高度传感器本身及环境干扰因数降到最低，适用于消防火场对内攻人员的高度定位，方法巧妙，构造新颖，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法。
背景技术
随着社会经济的发展和城市人口的增加，高层建筑成为城市建设的一种趋势，国内高层甚至超高层建筑数量逐年递增。与此同时，高层建筑火灾也时有发生，如何对高层建筑开展灭火救援工作，如何锁定内攻人员的实时位置，当出现意外时第一时间锁定搜寻内攻人员，做到″不伤亡″。对于高层建筑来说，进入高层建筑内部的内攻人员，没有GPS/北斗辅助测算海拔高度，如何无误差的确定内攻所在楼层尤为重要，是为搜寻抢救遇险的内攻人员争取时间。
从物理学查理定律分析，一定质量的气体，在体积不变的情况下，压强与热力学温度成正比。目前，几乎大部分的气压高度传感器都是根据大气压强来计算海拔高度。但是，气压高度传感器的输出易受温度、湿度、电源波动等多种因素交叉干扰与影响，其中压力与温度的交叉敏感是最主要的影响因素，给气压高度传感器的测量结果带来误差，甚至严重影响该类传感器的线性度，使该类传感器的输出精度大为减低。因此，必须对该类传感器的输出特性进行补偿校正，而且，一般测量高度的仪器设备都是单一传感器组成，给测量结果带来不确定和局限性，在消防领域使用会造成指挥人员误判，失去救援的黄金时间，导致增加遇险内攻人员的危险性。
目前，市场上的呼吸器、空呼后场监测系统，还有这几年比较新型的技术单兵定位都具备检测内功人员的所在高度信息，呼救器、空呼后场监测系统一般采用单一气压高度传感器测量高度，单兵定位是通过惯性传感器及实时处理器，精确计算人员单步行走的位移及姿态信息，从而进行实时内攻人员精确定位，输出行人相对初始点的位置，以X、Y、Z三轴确定内攻人员的定位点，Z轴所表示的坐标就是内功人员所处的高度，但是，均存在以下不足，具体如下：
(1)单一气压高度传感器存在以下几点弊端：1、单一气压高度传感器损坏会造成无法测量；2、单一气压高度传感器所测算出的高度值存在不确定和局限性；3、从目前传感器生产工艺角度出发，单一气压传感器之间存在误差，一致性不够好；4、单一气压高度传感器内部不带高精度温度传感器作为补偿，很难消除由于温度变化导致的测算误差；
(2)单兵定位通过惯性传感器及实时处理器计算位移，从而得到空间坐标，当前MEMS惯性器件漂移误差大，而且，必须在行走过程中才会测算出三维空间坐标，一般高层建筑发生火灾时，内攻人员会采用消防电梯方式到达火情楼层，导致测算高度结果失去参考意义。
因此，如何解决上述三种现有产品的缺陷，克服单传感器的可靠性低、损坏率高、一致性不好的问题；解决因高温、高湿环境中测量带来的精度低、误差大和不确定性高和局限性的问题，是当前需要解决的。
发明内容
本发明的目的是克服现有的消防火场，对于高度测量存在的问题。本发明的用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，既克服了单传感器的可靠性低、损坏率高、一致性不好的问题，也解决了因高温、高湿环境中测量带来的精度低、误差大和不确定性高和局限性的问题，测量精度及安全可靠性比现有产品高很多，提高气压高度传感器的实际工作精度，将气压高度传感器本身及环境干扰因数降到最低，适用于消防火场对内攻人员的高度定位，方法巧妙，构造新颖，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，包括电容式压力传感器、温度传感器、多路复用器、信号调理电路、存储器电路、数字接口电路、校准系数输入电路、微处理器和无线通信电路，
所述电容式压力传感器、温度传感器分别与多路复用器相连接，所述多路复用器依次通过信号调理电路、数字接口电路与微处理器相连接，
所述校准系数输入电路与存储器电路相连接，所述存储器电路通过数字接口电路与微处理器相连接，
所述微处理器与通过无线通信电路与远程终端进行通信，用于传输当前的高度数据给远程终端。
前述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，所述数字接口电路为I2C或者SPI接口电路。
前述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，所述微处理器为单片机。
前述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，所述信号调理电路包括依次连接的AD转化电路、滤波电路、信号放大电路。
前述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，所述电容式压力传感器为多路电容式压力传感器。
一种用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，包括以下步骤，
步骤(A)，建立电容式压力传感器的温度缩放因子Traw_sc 和压力缩放因子Praw_sc；
步骤(B)，对于一定质量的同种理想气体，气压P、温度T、体积V三个参考量之间遵循的理想气体状态方程确立的关系，公式如下：
P*V＝R*m*T
其中，m为该理想气体的空气质量，R为气体常数，若使用q 表示气体密度，即为质量m/体积V，则理想气体状态为方程简化为
P＝R*q*T
根据温度缩放因子，计算电容式压力传感器的当前补偿温度值 Tcomp，并根据该当前补偿温度值Tcomp，计算对应的电容式压力传感器的当前真实大气压值Pcomp，
Pcomp＝R*q*Tcomp；
步骤(C)，根据步骤(A)-步骤(B)，计算各个电容式压力传感器的当前真实大气压值P1、P2，......Pn，其中，n为电容式压力传感器的数量；
根据每次测量的大气压值进行增补修正，得到一组标准取样数据，此组数据作为标准，随着数据的不断更新变化，此组数据的标准化越来越高
P为每次测量的大气压值，K为增补系数，此增补系数为每次测量数据中温度缩放因子Traw_sc和压力缩放因子Praw_sc的比例得出的
步骤(D)，第i个电容式压力传感器的当前真实大气压值Pi，服从正态分布N(Li，Ri2)，其中，Li为第i个电容式压力传感器多次采样的均值，Ri为第i个电容式压力传感器多次采样的方差；
步骤(E)，设Lmi表示第i个电容式压力传感器第m次采样的结果，则第m次采样时n个电容式压力传感器的测量算术均值Lm，如公式(1)所示，
第i个电容式压力传感器的第m次采样时测量方差的估计分配 Rmi，如公式(2)所示，
Rmi＝[Lmi-Lm]2 (2)
步骤(F)，根据步骤(E)，对各电容式压力传感器的采样时测量方差的估计分配Rmi进行算术平均值计算，得到各电容式压力传感器采样时测量方差的算术平均值R′mi
步骤(G)，该各电容式压力传感器采样时测量方差的算术平均值R′mi为大气压值测量值Ps，Ps＝R′mi；
步骤(H)，根据步骤(G)的气压值测量值Ps与步骤(B)的当前真实大气压值Pcomp，将两者进行比值计算，得到该次误差波动系数
步骤(I)，重复步骤(A)-步骤(H)，得到误差波动系数数列β1-βm，其中βm为第m次采样的误差波动系数，并根据误差波动系数数列β1-βm，绘制出误差波动曲线并存储，便于后续历史数据分析。
前述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，步骤
(A)，建立电容式压力传感器的温度缩放因子Traw_sc和压力缩放因子Praw_sc，包括以下步骤，
(A1)，在电容式压力传感器标定过程中记录的7个数据，并在两个不同温度下记录下来，分别为(c00，c10，c20，c30，c01，c11， c21)，两个温度(t00，t10)；
(A2)，温度缩放因子Traw_sc＝Traw/kT，压力缩放因子 Praw_sc＝Praw/kP，其中，Traw为经模拟信号转数字信号的温度 24位的AD采样值；Praw为经模拟信号转数字信号的压力24位的 AD采样值；KT为标准温度缩放因子，不同的过采用率，对应不同的标准温度缩放因子；KP为标准压力缩放因子，不同的过采用率，对应不同的标准压力缩放因子。
前述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，步骤 (B)，根据温度缩放因子，计算电容式压力传感器的当前补偿温度值Tcomp，具体过程为：
电容式压力传感器的当前补偿温度值Tcomp，如公式(5)所示，
Tcomp＝t00*0.5+t10*Traw_sc (5)。
前述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，步骤 (H)，根据步骤(G)的气压值测量值Ps与步骤(B)的当前真实大气压值Pcomp，将两者进行比值计算，得到该次误差波动系数根据误差波动系数β可判断当前环境中气压波动是否正常，若β小于0.7或者大于1.3，则判断当前环境中气压波动不正常，可发出报警。
本发明的有益效果是：本发明的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统及方法，采用多路电容式气压高度传感器，具备温度补偿功能，大大提高了单路电容式气压高度传感器测量精确度，并通过多路电容式气压高度传感器加权融合的算法，完成对气压高度传感器的标定补偿工作，既克服了单传感器的可靠性低、损坏率高、一致性不好的问题，也解决了因高温、高湿环境中测量带来的精度低、误差大和不确定性高和局限性的问题，测量精度及安全可靠性比现有产品高很多，提高气压高度传感器的实际工作精度，将气压高度传感器本身及环境干扰因数降到最低，适用于消防火场对内攻人员的高度定位，方法巧妙，判断当前环境中气压波动不正常，可发出报警，以便提醒内攻人员注意，提高安全性能，杜绝安全隐患，构造新颖，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统的系统框图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，包括电容式压力传感器、温度传感器、多路复用器、信号调理电路、存储器电路、数字接口电路、校准系数输入电路、微处理器和无线通信电路，
所述电容式压力传感器、温度传感器分别与多路复用器相连接，所述多路复用器依次通过信号调理电路、数字接口电路与微处理器相连接，
所述校准系数输入电路与存储器电路相连接，所述存储器电路通过数字接口电路与微处理器相连接，该校准系数输入电路为实现产品在较宽的温度、压力范围内保持高精度并在这基础上提高生产效率，本课题产品的算法包含一次项和二次项。依晶片的批次抽样，在二次项系数拟合平台进行多个温度点、压力点下的测试并通过数理统计获得优化的二次项系数。在获得优化的二次项系数后，所有的产品在全自动校准平台上测试(高低温及高低压力，四个测试点) 获得一次项。结合一、二次项的系数，通过优化的算法得到补偿系数，储在芯片上的144字节的非易失性内存NVM，能够在-40～85℃范围内获得较高的压力、温度精度。采用数字化误差补偿技术和高度集成化电子元件，实现传感器的线性、零点、温漂、蠕变等性能参数的综合补偿，消除了环境及人为因素对补偿的影响，大大提高了传感器综合精度和可靠性。
所述微处理器与通过无线通信电路与远程终端进行通信，用于传输当前的高度数据给远程终端。
所述数字接口电路为I2C或者SPI接口电路，数据简单，传输速度快，提高实时性能。
所述微处理器为单片机，成本低廉，可扩展接口，便于编程，
能耗低，适用于消防火场内攻人员携带设备的研发。
优选的，所述信号调理电路包括依次连接的AD转化电路、滤波电路、信号放大电路，能够提高采集信号(环境的气压、温度信号的准确性)。
优选的，电容式压力传感器为多路电容式压力传感器，使用电容式压力传感器代替现有产品中使用的电阻式、膜盒来检测环境大气静压力，能够在300hPa至1200hPa的压力范围内，和-40℃至 85℃的温度范围内，提供可靠、精确的性能，电容式压力传感器采用校准系数来精确补偿测得的压力值和温度值并I2C或者SPI数字接口进行通信，获得电容式压力传感器测量数据和校准系数给单片机，进行数据处理。
基于上述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统的误差修正方法，包括以下步骤，
步骤(A)，建立电容式压力传感器的温度缩放因子Traw_sc 和压力缩放因子Praw_sc，包括以下步骤，
(A1)，在电容式压力传感器标定过程中记录的7个数据，并在两个不同温度下记录下来，分别为(c00，c10，c20，c30，c01，c11， c21)，两个温度(t00，t10)，该温度能够通过温度传感器测试得到；
(A2)，温度缩放因子Traw_sc＝Traw/kT，压力缩放因子 Praw_sc＝Praw/kP，其中，(A2)，温度缩放因子Traw_sc＝ Traw/kT，压力缩放因子Praw_sc＝Praw/kP，其中，Traw为经模拟信号转数字信号的温度24位的AD采样值；Praw为经模拟信号转数字信号的压力24位的AD采样值；KT为标准温度缩放因子，不同的过采用率，对应不同的标准温度缩放因子；KP为标准压力缩放因子，不同的过采用率，对应不同的标准压力缩放因子。
经过测试，根据不同的过采用率，缩放因子不同，如下表1：
表1过采用率下的缩放因子比例值
步骤(B)，对于一定质量的同种理想气体，气压P、温度T、体积V三个参考量之间遵循的理想气体状态方程确立的关系，公式如下：
P*V＝R*m*T
其中，m为该理想气体的空气质量，R为气体常数，若使用q 表示气体密度，即为质量m/体积V，则理想气体状态为方程简化为
P＝R*q*T
根据温度缩放因子，计算电容式压力传感器的当前补偿温度值 Tcomp，并根据该当前补偿温度值Tcomp，计算对应的电容式压力传感器的当前真实大气压值Pcomp，
Pcomp＝R*q*Tcomp；
其中，电容式压力传感器的当前补偿温度值Tcomp，如公式 (5)所示，
Tcomp＝t00*0.5+t10*Traw_sc (5)；
步骤(C)，根据步骤(A)-步骤(B)，计算各个电容式压力传感器的当前真实大气压值P1、P2，......Pn，其中，n为电容式压力传感器的数量；
步骤(D)，第i个电容式压力传感器的当前真实大气压值Pi，服从正态分布N(Li，Ri2)，其中，Li为第i个电容式压力传感器多次采样的均值，Ri为第i个电容式压力传感器多次采样的方差；
步骤(E)，设Lmi表示第i个电容式压力传感器第m次采样的结果，则第m次采样时n个电容式压力传感器的测量算术均值Lm，如公式(1)所示，
第i个电容式压力传感器的第m次采样时测量方差的估计分配 Rmi，如公式(2)所示，
Rmi＝[Lmi-Lm]2 (2)
步骤(F)，根据步骤(E)，对各电容式压力传感器的采样时测量方差的估计分配Rmi进行算术平均值计算，得到各电容式压力传感器采样时测量方差的算术平均值R′mi
步骤(G)，该各电容式压力传感器采样时测量方差的算术平均值R′mi为大气压值测量值Ps，Ps＝R′mi；
步骤(H)，根据步骤(G)的气压值测量值Ps与步骤(B)的当前真实大气压值Pcomp，将两者进行比值计算，得到该次误差波动系数这里可根据误差波动系数β可判断当前环境中气压波动是否正常，若β小于0.7或者大于1.3，则判断当前环境中气压波动不正常，可发出报警，以便提醒内攻人员注意，提高安全性能，杜绝安全隐患；
步骤(I)，重复步骤(A)-步骤(H)，得到误差波动系数数列β1-βm，其中βm为第m次采样的误差波动系数，并根据误差波动系数数列β1-βm，绘制出误差波动曲线并存储，便于后续历史数据分析。
根据测量方差估计的计算过程可以看出，每次新的测量数据都对各电容式压力传感器的测量方差进行修正，但修正作用越来越小，这是因为把电容式压力传感器与测量环境综合起来考虑，测量向量从统计意义上说，它的正态分布是确定的。随着采样的进行，n个电容式压力传感器的各电容式压力传感器采样时测量方差的算术平均值R′mi为真实的环境中的大气压值测量值Ps。
本发明的用于消防火场气压高度传感器的误差修方法，通过多气压高度传感器加权融合估计的算法完成对气压高度传感器的标定补偿工作，以提高气压高度传感器的实际工作精度，增加了测量空间的维数，使不同的气压高度传感器测量高度不易受自然现象的变化而变化，获得更高的分辨力，克服了单传感器的可靠性低、损坏率高、一致性不好的问题，并能够判断当前环境中气压波动不正常，可发出报警，以便提醒内攻人员注意，提高安全性能，杜绝安全隐患。
综上所述，本发明的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统及方法，采用多路电容式气压高度传感器，具备温度补偿功能，大大提高了单路电容式气压高度传感器测量精确度，并通过多路电容式气压高度传感器加权融合的算法，完成对气压高度传感器的标定补偿工作，既克服了单传感器的可靠性低、损坏率高、一致性不好的问题，也解决了因高温、高湿环境中测量带来的精度低、误差大和不确定性高和局限性的问题，测量精度及安全可靠性比现有产品高很多，提高气压高度传感器的实际工作精度，将气压高度传感器本身及环境干扰因数降到最低，适用于消防火场对内攻人员的高度定位，方法巧妙，构造新颖，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，其特征在于：包括电容式压力传感器、温度传感器、多路复用器、信号调理电路、存储器电路、数字接口电路、校准系数输入电路、微处理器和无线通信电路，
所述电容式压力传感器、温度传感器分别与多路复用器相连接，所述多路复用器依次通过信号调理电路、数字接口电路与微处理器相连接，
所述校准系数输入电路与存储器电路相连接，所述存储器电路通过数字接口电路与微处理器相连接，
所述微处理器与通过无线通信电路与远程终端进行通信，用于传输当前的高度数据给远程终端。
2.根据权利要求1所述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，其特征在于：所述数字接口电路为I2C或者SPI接口电路。
3.根据权利要求1所述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，其特征在于：所述微处理器为单片机。
4.根据权利要求1所述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，其特征在于：所述信号调理电路包括依次连接的AD转化电路、滤波电路、信号放大电路。
5.根据权利要求1所述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正系统，其特征在于：所述电容式压力传感器为多路电容式压力传感器。
6.一种用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，建立电容式压力传感器的温度缩放因子Traw_sc和压力缩放因子Praw_sc；
步骤(B)，对于一定质量的同种理想气体，气压P、温度T、体积V三个参考量之间遵循的理想气体状态方程确立的关系，公式如下：
P*V＝R*m*T
其中，m为该理想气体的空气质量，R为气体常数，若使用q表示气体密度，即为质量m/体积V，则理想气体状态为方程简化为
P＝R*q*T
根据温度缩放因子，计算电容式压力传感器的当前补偿温度值Tcomp，并根据该当前补偿温度值Tcomp，计算对应的电容式压力传感器的当前真实大气压值Pcomp，
Pcomp＝R*q*Tcomp；
步骤(C)，根据步骤(A)-步骤(B)，计算各个电容式压力传感器的当前真实大气压值P1、P2，........Pn，其中，n为电容式压力传感器的数量；
步骤(D)，第i个电容式压力传感器的当前真实大气压值Pi，服从正态分布N(Li，Ri2)，其中，Li为第i个电容式压力传感器多次采样的均值，Ri为第i个电容式压力传感器多次采样的方差；
步骤(E)，设Lmi表示第i个电容式压力传感器第m次采样的结果，则第m次采样时n个电容式压力传感器的测量算术均值Lm，如公式(1)所示，
第i个电容式压力传感器的第m次采样时测量方差的估计分配Rmi，如公式(2)所示，
Rmi＝[Lmi-Lm]2 (2)
步骤(F)，根据步骤(E)，对各电容式压力传感器的采样时测量方差的估计分配Rmi进行算术平均值计算，得到各电容式压力传感器采样时测量方差的算术平均值R′mi
步骤(G)，该各电容式压力传感器采样时测量方差的算术平均值R′mi为大气压值测量值Ps，Ps＝R′mi；
步骤(H)，根据步骤(G)的气压值测量值Ps与步骤(B)的当前真实大气压值Pcomp，将两者进行比值计算，得到该次误差波动系数
步骤(I)，重复步骤(A)-步骤(H)，得到误差波动系数数列β1-βm，其中βm为第m次采样的误差波动系数，并根据误差波动系数数列β1-βm，绘制出误差波动曲线并存储，便于后续历史数据分析。
7.根据权利要求6所述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，其特征在于：步骤(A)，建立电容式压力传感器的温度缩放因子Traw_sc和压力缩放因子Praw_sc，包括以下步骤，
(A1)，在电容式压力传感器标定过程中记录的7个数据，并在两个不同温度下记录下来，分别为(c00，c10，c20，c30，c01，c11，c21)，两个温度(t00，t10)；
(A2)，温度缩放因子Traw_sc＝Traw/kT，压力缩放因子Praw_sc＝Praw/kP，其中，Traw为经模拟信号转数字信号的温度24位的AD采样值；Praw为经模拟信号转数字信号的压力24位的AD采样值；KT为标准温度缩放因子，不同的过采用率，对应不同的标准温度缩放因子；KP为标准压力缩放因子，不同的过采用率，对应不同的标准压力缩放因子。
8.根据权利要求7所述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，其特征在于：步骤(B)，根据温度缩放因子，计算电容式压力传感器的当前补偿温度值Tcomp，如公式(5)所示，
Tcomp＝t00*0.5+t10*Traw_sc (5)。
9.根据权利要求6所述的用于消防火场气压高度传感器的误差修正方法，其特征在于：步骤(H)，根据步骤(G)的气压值测量值Ps与步骤(B)的当前真实大气压值Pcomp，将两者进行比值计算，得到该次误差波动系数根据误差波动系数β可判断当前环境中气压波动是否正常，若β小于0.7或者大于1.3，则判断当前环境中气压波动不正常，可发出报警。
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