CN110146215B - 一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器 - Google Patents

一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，解决了现有气压传感器容易受温度影响而造成精度与可靠性下降的问题。本发明气压传感器包括处理器、气压检测单元、温度传感器和信号处理单元，采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO‑SVR建立温度补偿模型以弥补低成本气压敏感元件带来的温度漂移问题，从而极大地增强气压传感器的可靠性以及易用性；本发明气压传感器具有正常工作模式与参数整定模式，通过气压传感器的单线通信技术，实现了外部控制器对于气压传感器的模型参数整定与量程整定等功能。

Description

一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器。
背景技术
气压传感器用于采集环境气压值，并将采集到的气压信息发送到后续处理单元进行分析。在实际使用过程当中，环境温度会影响气压传感器内部敏感元件，从而造成传感器的实际测量误差。
现有的气压传感器利用气压敏感元件采集的环境气压容易受到温度影响而产生温飘现象，为解决温度对气压测量产生的影响，常用方法是在外部控制器中对所使用的气压传感器进行温度补偿，该方法占用处理器资源，对不同的传感器需要重新设计补偿方法，实现困难且繁琐。
除温度补偿以外，现有的气压传感器接口一般设置为三线制，只有一根数据线以模拟量的形式向外部传输气压信息。在气压传感器出厂以后，重新校准标定气压传感器变得十分繁琐。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，包括处理器、气压检测单元、温度传感器和信号处理单元；
所述气压检测单元用于检测环境气压原始值；
所述处理器包括AD/DA转换模块、温度补偿模块和参数整定模块；
所述AD/DA转换模块用于读取气压检测单元输出的环境气压模拟量，将该模拟量转换为气压值数字量输入温度补偿模块，以及用于将温度补偿后的气压值数字量转换为模拟量输出给信号处理单元；
所述温度补偿模块利用环境气压原始值与温度传感器采集的环境温度值，采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR，实现对于最小二乘惩罚因子和核函数参数的优化选择，从而建立气压传感器温度补偿模型，并利用该温度补偿模型对环境气压原始值进行温度补偿；
所述参数整定模块用于解析输入信号处理单元的脉冲控制信号，通过预先设定的脉冲控制协议，实现对温度补偿模型中的参数整定以及对气压传感器量程的整定；
所述信号处理单元用于实现传感器与外部控制器间的单线通信，具体为：接收处理器补偿后的气压模拟量输出给外部控制器，以及将外部控制器输入的脉冲控制信号发送给参数整定模块，利用单线通讯方式实现对模型参数与量程的整定。
进一步地，该气压传感器还包括电源单元，电源单元为气压传感器的各个单元提供电力支持，电源单元可以包括电源管理系统，为所有需要使用电源的设备提供不同型号的电压与电流支持。
进一步地，所述温度传感器可以为处理器内部自带的温度传感器，也可以使用成品的温度传感器连接到处理器。
进一步地，所述气压传感器具有两种工作模式，正常工作模式以及参数整定模式；
所述气压传感器在正常工作模式下，具体步骤如下：
(1)气压检测单元获取环境气压原始值；
(2)温度传感器获取环境温度值；
(3)温度补偿模块结合气压原始值与温度值进行气压补偿；
(4)信号处理单元将补偿后的气压值转化为模拟量输出；
所述气压传感器在参数整定模式下，具体步骤如下：
(1)信号处理单元检测外部控制器的脉冲控制信号，并将该信号转发到参数整定模块；
(2)参数整定模块解析信号处理单元发送来的信号，检测是否有握手包信息，如果没有检测到握手包，转到步骤(1)继续检测；如果检测到握手包，执行步骤(3)；
(3)参数整定模块接收外部控制器的脉冲控制信号，进行模型参数整定与量程整定；
(4)参数整定模块接收到外部控制器发送的结束指令后，结束参数整定流程，转到正常工作模式。
进一步地，所述气压传感器温度补偿模型的建立包括以下子步骤：
(1)样本数据的采集；设定环境气压为不同的标准气压值，获取每个标准气压值环境中不同温度条件下气压检测单元采集到的实际气压值作为样本数据；
(2)采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR，实现对于最小二乘惩罚因子和核函数参数的优化选择，建立气压传感器温度补偿模型；
(3)利用温度补偿模型完成对气压值的补偿。
进一步地，所述步骤(2)具体包括以下子步骤：
(2-1)初始化PSO的参数和粒子群参数，赋予每个粒子初始位置与速度；
(2-2)确定适应度评估函数，并计算每个粒子的适应度；
(2-3)寻找个体极值Pi和群体极值Pg，计算粒子的适应度值，选取适应度最优的粒子的个体极值作为群体极值；
(2-4)根据求得的适应度值，按照式(1)和(2)进行迭代，更新粒子的速度v和位置x；
Figure BDA0002064463120000031
Figure BDA0002064463120000032
式中：
Figure BDA0002064463120000033
和
Figure BDA0002064463120000034
表示粒子当前的速度向量与位置；
Figure BDA0002064463120000035
和
Figure BDA0002064463120000036
表示粒子更新后的速度向量与位置；
Figure BDA0002064463120000037
表示粒子当前最优解位置；
Figure BDA0002064463120000038
表示整个种群的最优解位置；w为惯性权重，c1c2为惯性因子，r1r2为0-1之间的随机数；
(2-5)根据新产生种群的适应度值更新Pi和Pg，判断是否满足迭代停止条件，如果满足迭代停止条件，保存粒子群最优位置值并返回；否则回到步骤(2-2)继续计算；
(2-6)达到终止条件时，将全局最优位置映射为惩罚因子c和核参数g，并以此为最优结果，建立气压传感器温度补偿模型。
进一步地，所述气压传感器连接方式为三线制，分别为：电源线、信号线与地线；正常使用过程中，气压传感器连接到外部控制器提供气压值信息，此时，信号线用做模拟量输出，输出气压值对应的模拟信号；气压传感器用作参数整定过程中，外部控制器通过向信号线发送握手包脉冲的形式与气压传感器内部的参数整定模块通信，信号处理单元会不断检测信号线上的脉冲信号，并将该脉冲信号转发给参数整定模块，参数整定模块解析该脉冲信号，如果有对应握手包，说明此时进入参数整定模式。
与现有的技术方案相比，本发明的有益效果是：通过在气压传感器内部处理器中采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR建立温度补偿模型，并利用该温度补偿模型对环境气压原始值进行温度补偿，从而弥补低成本气压敏感元件带来的温度漂移问题，可以极大的增强气压传感器的可靠性以及易用性；通过气压传感器的单线通信技术，实现了对于气压传感器的模型参数整定与量程整定功能。
附图说明
图1是本发明的一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器结构框图；
图2是本发明气压传感器中温度补偿模块的原理框图；
图3是本发明气压传感器的两种工作模式流程图；
图4是本发明的PSO-SVR算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，下面的描述涉及附图时，除非另有表述，不同附图中的相同数字表示形同或者相似的要素。
如图2所示，为本发明气压传感器的温度补偿模块的原理框图，该温度补偿方法的具体思路为：
假设气压检测单元检测得到的环境气压原始值为P0，温度传感器检测得到的温度为T，因为气压检测单元检测得到的气压P0会产生温漂，所以实际的环境气压Pt与气压P0和温度T之间是一种非线性关系，建立一个二输入、单输出的PSO-SVR算法模型，二输入为气压P0与温度值，输出为实际的补偿后环境气压值Pt。
该补偿模型分为训练和预测两个过程。训练过程中，利用已标定气压的训练数据样本集对PSO-SVR模型进行训练，确定PSO-SVR模型中的参数，在预测过程中，对被测气压进行补偿输出。
如图4所示，该补偿方法具有以下步骤：
(1)在不同的气压环境下，选取每个气压环境中不同温度条件下气压检测单元获取的气压值作为样本数据；具体的实验方法为，将气压传感器置于高低温箱中，高低温箱的温度值以及标准气压信息均是可以自主控制的；通过对气压传感器内置处理器编程的技术，处理器可以直接控制高低温箱产生的温度值以及标准气压信息，之后利用处理器中自带的温度传感器采集高低温箱中实际温度值，利用气压检测单元获取高低温箱中实际气压值，将设置的气压值与采集的环境实际气压、温度信息均采集并记录，这样就组成了一组实验样本数据；
(2)采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR，实现对于最小二乘惩罚因子和核函数参数的优化选择，建立气压传感器温度补偿模型；
(3)利用所述传感器温度补偿模型实现对于气压传感器的温度补偿。
以上步骤具体包括：
(1-1)将步骤(1)中采集得到的样本数据进行分类，分为训练样本与测试样本；可选地，使用随机的方式，抽取原始样本集中的90％作为训练样本，剩余的10％作为预测的样本；
(1-2)将训练样本以及测试样本都进行归一化；
样本数据集处理完成后，进行温度补偿模型的建立，参考图4，具体步骤如下：
(2-1)初始化PSO的参数，设置所述支持向量机的参数范围；
(2-2)初始化粒子群参数，初始化种群数量，迭代次数等，赋予每个粒子初始位置与速度；
(2-3)确定适应度评估函数，并计算每个粒子的适应度；
(2-4)寻找个体极值Pi和群体极值Pg，计算粒子的适应度值，选取适应度最优的粒子的个体极值作为群体极值；
(2-5)根据求得的适应度值，按照式(1)和(2)进行迭代，更新粒子的速度v和位置x；
Figure BDA0002064463120000061
Figure BDA0002064463120000062
式中：
Figure BDA0002064463120000063
和
Figure BDA0002064463120000064
表示粒子当前的速度向量与位置；
Figure BDA0002064463120000065
和
Figure BDA0002064463120000066
表示粒子更新后的速度向量与位置；
Figure BDA0002064463120000067
表示粒子当前最优解位置；
Figure BDA0002064463120000068
表示整个种群的最优解位置；w为惯性权重，c1c2为惯性因子，r1r2为0-1之间的随机数；
(2-6)根据新产生种群的适应度值更新Pi和Pg，并判断是否满足迭代停止条件，如果满足迭代停止条件，保存粒子群最优位置值并返回；否则回到步骤(2-2)继续计算；
(2-7)达到终止条件时，将全局最优位置映射为惩罚因子c和核参数g，并以此为最优结果，建立气压传感器温度补偿模型。
在建立模型以后，需要对该模型进行训练，并使用预测样本进行预测判断预测结果，实际的步骤如下：
(3-1)用得到的SVR参数组合进行SVR模型训练；
(3-2)用训练得到的模型针对预测样本进行预测，完成后经过反归一化处理进行输出；
(3-3)根据模型预测产生的结果与实际的预测样本进行对比，并计算最大误差与均方误差结果；
(3-4)判断该误差结果是否满足设计要求，如果满足设计要求，则完成模型参数整定；否则需要重新进行样本选择与训练；
图1是一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器结构框图，参考图1，该气压传感器100可以包括以下一个或者多个组件：处理器101、气压检测单元102、信号处理单元103、电源单元104和温度传感器105；
电源单元104为气压传感器100的各个单元提供电力支持，电源单元104可以包括电源管理系统，为所有需要使用电源的设备提供不同型号的电压与电流支持；
温度传感器105可以为处理器内部自带的温度传感器，也可以使用成品的温度传感器连接到处理器；
气压检测单元102是气压传感器的基础单元，用于读取气压传感器的环境气压原始值；
处理器101包括AD/DA转换模块、温度补偿模块和参数整定模块；
AD/DA转换模块用于读取气压检测单元输出的环境气压模拟量，将该模拟量转换为气压值数字量输入温度补偿模块，以及用于将温度补偿后的气压值数字量转换为模拟量输出给信号处理单元；
温度补偿模块利用环境气压原始值与温度传感器采集的环境温度值，采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR，实现对于最小二乘惩罚因子和核函数参数的优化选择，从而建立气压传感器温度补偿模型，并利用该温度补偿模型对环境气压原始值进行温度补偿；
参数整定模块用于解析输入信号处理单元的脉冲控制信号，通过预先设定的脉冲控制协议，实现对温度补偿模型中的参数整定以及对气压传感器量程的整定；
信号处理单元103用于实现传感器与外部控制器间的单线通信，具体为：接收处理器补偿后的气压模拟量输出给外部控制器，以及将外部控制器输入的脉冲控制信号发送给参数整定模块，利用单线通讯方式实现对模型参数与量程的整定。
在一种可能的实现中，参考图2中的气压温度补偿框图，所述的处理器101包括：
温度传感器105，可以直接采用带有温度传感器的处理器101或者使用成品的温度传感器连接到处理器101，用于采集气压传感器100的环境温度，并将温度信息传送到处理器101；
温度补偿模块201，该模块为在处理器101中使用软件实现的温度补偿模块，原始气压值受温度影响会产生温度漂移现象，采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR，实现对于最小二乘惩罚因子和核函数参数的优化选择，从而建立气压传感器温度补偿模型，并利用该温度补偿模型对环境气压原始值进行温度补偿；
在一种可能的实现中，参考图3，气压传感器100存在以下两种工作模式：正常工作模式以及参数整定模式。
所述气压传感器在正常工作模式下，工作流程包括以下步骤：
(1)气压检测单元获取到环境气压值；
(2)温度检测单元获取环境温度信息值；
(3)温度补偿单元结合温度与气压值进行气压补偿；
(4)信号处理单元将补偿后的气压值转化为模拟量输出；
所述气压传感器在参数整定模式下，参数整定措施包括以下步骤：
(1)信号处理单元检测外部信号，并将外部信号转发到处理器；
(2)处理器解析信号处理单元发送来的信号，检测是否有握手包信息；
(3)如果没有检测到握手包，转到步骤(1)继续检测；如果检测到握手包，处理器准备接收外部控制指令信息；
(4)处理器接收外部单元的控制与参数信息，进行模型参数整定与量程标定；
(5)处理器接收外部单元的标定结束包；
进一步地，信号处理器单元用于实现气压传感器与外部单元的单线制通信，所述气压传感器连接方式为三线制，分别为：电源线、信号线与地线；正常使用过程中，气压传感器连接到外部的控制器提供气压值信息，此时，信号线用做模拟量输出，输出气压值对应的模拟信号；气压传感器用作参数整定过程中，气压传感器模拟量输出电压值较低，外部单元可以通过向信号线发送握手包脉冲的形式与气压传感器内部的处理器通信，信号处理电路会不断检测信号线上的脉冲信号，并将该脉冲信号转发给气压传感器内部处理器，处理器解析该脉冲信号，如果有对应握手包，说明此时进入参数整定模式。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，其特征在于，包括处理器、气压检测单元、温度传感器和信号处理单元；
所述气压检测单元用于检测环境气压原始值；
所述处理器包括AD/DA转换模块、温度补偿模块和参数整定模块；
所述AD/DA转换模块用于读取气压检测单元输出的环境气压模拟量，将该模拟量转换为气压值数字量输入温度补偿模块，以及用于将温度补偿后的气压值数字量转换为模拟量输出给信号处理单元；
所述温度补偿模块利用环境气压原始值与温度传感器采集的环境温度值，采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR，实现对于最小二乘惩罚因子和核函数参数的优化选择，从而建立气压传感器温度补偿模型，并利用该温度补偿模型对环境气压原始值进行温度补偿；
所述气压传感器具有两种工作模式，正常工作模式以及参数整定模式；
所述气压传感器连接方式为三线制，分别为：电源线、信号线与地线；正常使用过程中，气压传感器连接到外部控制器提供气压值信息，此时，信号线用做模拟量输出，输出气压值对应的模拟信号；气压传感器用作参数整定过程中，外部控制器通过向信号线发送握手包脉冲的形式与气压传感器内部的参数整定模块通信，信号处理单元会不断检测信号线上的脉冲信号，并将该脉冲信号转发给参数整定模块，参数整定模块解析该脉冲信号，如果有对应握手包，说明此时进入参数整定模式；
所述参数整定模块用于解析输入信号处理单元的脉冲控制信号，通过预先设定的脉冲控制协议，实现对温度补偿模型中的参数整定以及对气压传感器量程的整定；
所述信号处理单元用于实现传感器与外部控制器间的单线通信，具体为：接收处理器补偿后的气压模拟量输出给外部控制器，以及将外部控制器输入的脉冲控制信号发送给参数整定模块，利用单线通讯方式实现对模型参数与量程的整定。
2.根据权利要求1所述的带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，其特征在于，该气压传感器还包括电源单元，电源单元为气压传感器的各个单元提供电力支持，电源单元包括电源管理系统，为所有需要使用电源的设备提供不同型号的电压与电流支持。
3.根据权利要求1所述的带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，其特征在于，所述温度传感器为处理器内部自带的温度传感器，或使用成品的温度传感器连接到处理器。
4.根据权利要求1所述的带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，其特征在于，所述气压传感器在正常工作模式下，具体步骤如下：
(1)气压检测单元获取环境气压原始值；
(2)温度传感器获取环境温度值；
(3)温度补偿模块结合气压原始值与温度值进行气压补偿；
(4)信号处理单元将补偿后的气压值转化为模拟量输出；
所述气压传感器在参数整定模式下，具体步骤如下：
(1)信号处理单元检测外部控制器的脉冲控制信号，并将该信号转发到参数整定模块；
(2)参数整定模块解析信号处理单元发送来的信号，检测是否有握手包信息，如果没有检测到握手包，转到步骤(1)继续检测；如果检测到握手包，执行步骤(3)；
(3)参数整定模块接收外部控制器的脉冲控制信号，进行模型参数整定与量程整定；
(4)参数整定模块接收到外部控制器发送的结束指令后，结束参数整定流程，转到正常工作模式。
5.根据权利要求1所述的带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，其特征在于，所述气压传感器温度补偿模型的建立包括以下子步骤：
(1)样本数据的采集；设定环境气压为不同的标准气压值，获取每个标准气压值环境中不同温度条件下气压检测单元采集到的实际气压值作为样本数据；
(2)采取粒子群优化与支持向量回归机结合算法PSO-SVR，实现对于最小二乘惩罚因子和核函数参数的优化选择，建立气压传感器温度补偿模型；
(3)利用温度补偿模型完成对气压值的补偿。
6.根据权利要求5所述的带有温度补偿与参数整定措施的气压传感器，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下子步骤：
(2-1)初始化PSO的参数和粒子群参数，赋予每个粒子初始位置与速度；
(2-2)确定适应度评估函数，并计算每个粒子的适应度；
(2-3)寻找个体极值Pi和群体极值Pg，计算粒子的适应度值，选取适应度最优的粒子的个体极值作为群体极值；
(2-4)根据求得的适应度值，按照式(1)和(2)进行迭代，更新粒子的速度v和位置x；
Figure FDA0002864919910000031
Figure FDA0002864919910000032
式中：
Figure FDA0002864919910000033
和
Figure FDA0002864919910000034
表示粒子当前的速度向量与位置；
Figure FDA0002864919910000035
和
Figure FDA0002864919910000036
表示粒子更新后的速度向量与位置；
Figure FDA0002864919910000037
表示粒子当前最优解位置；
Figure FDA0002864919910000038
表示整个种群的最优解位置；w为惯性权重，c1、c2为惯性因子，r1、r2为0-1之间的随机数；
(2-5)根据新产生种群的适应度值更新Pi和Pg，判断是否满足迭代停止条件，如果满足迭代停止条件，保存粒子群最优位置值并返回；否则回到步骤(2-2)继续计算；
(2-6)达到终止条件时，将全局最优位置映射为惩罚因子c和核参数g，并以此为最优结果，建立气压传感器温度补偿模型。
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