CN115560879A - 一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统及方法，所述采样系统包括多通道传感器、数据处理模块、温度补偿模块和模数转换模块，所述多通道传感器与数据处理模块连接，所述数据处理模块还与温度补偿模块连接，所述模数转换模块与数据处理模块连接。所述采样方法具体为实时采集终端信号并进行信号预处理；采集多通道传感器所处环境的温度信号，并根据PID控制算法获取PID输出值；根据PID输出值对信号预处理后的终端信号进行温度补偿，获取终端信号对应的模拟信号值，并对模拟信号值进行模数转换，获取对应的数字信号。本发明能够通过PID控制器实现温度补偿，且能够准确获取传感器采样点的温度，在进行温度补偿时，准确性更高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是指一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统及方法。
背景技术
在进行数据采集时往往需要将模数转换芯片与传感器等器件进行配合使用，并需要根据传感器数据所需精度来选择不同精度的模数转换芯片。传感器在进行数据采样时，其所处环境等不可控因素会对传感器采样数据的精准度造成影响，对采样数据造成影响的不可控因素中，温度对于传感器的影响最大，因此往往需要采用一些温度补偿的手段来提高传感器的采样数据精准度。现有技术中常通过在模数转换芯片内部增加温度采集器，并通过系数补偿的方式来实现对于传感器采样数据的温度补偿。
但不论是增加温度采集器并通过系数补偿方式实现温度补偿，还是通过TEC控制器实现温度补偿，都存在着一定缺陷。在通过增加温度采集器并通过系数补偿方式实现温度补偿时，由于模数转换芯片内部的温度传感器精度往往不高，在模数转换芯片工作后其内核温度也会升高，会影响到温度传感器的采样。且模数转换芯片往往与传感器的采集点之间存在一定的距离，这也就导致模数转换芯片内采集的温度变化跟不上传感器采集点的温度，后续温度补偿的偏差较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统及方法，通过增设温度补偿模块的方式，解决通过在模数转换芯片内部增加温度采集器，通过系数补偿实现温度补偿时存在的偏差较大的问题，保障了多通道传感器采样结果的准确性。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样方法，包括以下步骤：
步骤一，多通道传感器实时采集终端信号，对采集的终端信号进行信号预处理；
步骤二，采集多通道传感器所处环境的温度信号，并根据温度补偿模块获取温度信号的PID输出值；
步骤三，根据PID输出值对信号预处理后的终端信号进行温度补偿，获取终端信号对应的模拟信号值，并对模拟信号值进行模数转换，获取对应的数字信号。
进一步的，步骤二中所述采集多通道传感器所处环境的温度信号，并根据PID控制算法获取温度信号的PID输出值的具体过程为：获取多通道传感器采集的终端信号类型，并根据终端信号类型设置PID控制器参数，将温度信号与PID控制器参数进行比较，获取两者差值，通过比例、积分和微分运算对两者差值进行调节，获取温度信号的PID输出值。
进一步的，步骤三中根据PID输出值对信号处理后的终端信号进行温度补偿的具体过程为：获取终端信号类型，依次计算温度与终端运行、多通道传感器采样精度以及模数转换芯片运行之间的关联系数，并根据关联系数的计算结果设置终端运行关联系数、多通道传感器采样精度关联系数和模数转换芯片运行关联系数的权重，根据PID输出值、关联系数以及对应的权重对终端信号进行温度补偿。
进一步的，步骤三中对模拟信号值进行模数转换，获取对应的数字信号后，还通过中央处理器对数字信号进行计算，根据计算结果获取多通道传感器的采样值，所述中央处理器获取多通道传感器的采样值后，还将多通道传感器的采样值传输至监控后台，监控后台实时展示多通道传感器的采样值。
一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统，包括多通道传感器、数据处理模块、温度补偿模块和模数转换模块，所述多通道传感器与数据处理模块连接，所述多通道传感器用于实时采集终端信号，所述温度补偿模块用于采集多通道传感器所处环境的温度信号，并获取温度信号的PID输出值，所述数据处理模块还与温度补偿模块连接，所述数据处理模块用于对多通道传感器采集的终端信号进行信号预处理，所述数据处理模块还用于根据PID输出值对终端信号进行温度补偿，所述模数转换模块与数据处理模块连接，所述模数转换模块用于将温度补偿后的终端信号进行模数转换，获取终端信号对应的数字信号。
进一步的，所述温度补偿模块包括温度采集单元和PID控制器，所述温度采集单元与PID控制器连接，所述温度采集单元设置在终端上，用于采集多通道传感器所处环境的温度信号，所述PID控制器与数据处理模块连接，所述PID控制器用于根据温度信号获取温度补偿所需的PID输出值，并将PID输出值传输至数据处理模块，数据处理模块根据PID输出值进行温度补偿。
进一步的，所述数据处理模块包括滤波放大单元和温度补偿处理单元，所述滤波放大单元与多通道传感器连接，所述滤波放大单元用于对多通道传感器采集到的数据进行噪声滤除，并对噪声滤除后的数据进行信号放大，所述温度补偿处理单元同时与滤波放大单元以及PID控制器连接，所述温度补偿处理单元根据PID控制器传输的PID输出值对滤波放大单元处理后的终端信号进行温度补偿。
进一步的，所述模数转换模块包括24位模数转换芯片。
进一步的，还包括中央处理器和监控后台，所述中央处理器与模数转换模块连接，所述中央处理器用于对模数转换模块获取的数字信号进行计算，获取多通道传感器的采样值，所述监控后台与中央处理器无线连接，所述监控后台用于实时展示多通道传感器的采样值。
本发明的有益效果是：
能够通过PID控制器实现温度补偿，且温度采集单元设置在终端上，即设置在传感器的采样点上，能够准确获取传感器采样点的温度，在进行温度补偿时，准确性更高。且分别考虑温度对于多通道传感器采用精度、终端运行和模数转换芯片运行的影响，计算对应的关联系数和相应权重，在进行温度补偿时，能够考虑到采样数据在不同环节受到的影响，温度补偿的准确性更高，后续获取的多通道传感器采样结果的准确性也更高。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明实施例的一种PID调节电路图；
图3是本发明的一种流程示意图。
其中：1、多通道传感器，2、数据处理模块，21、滤波放大单元，22、温度补偿处理单元，3、温度补偿模块，31、温度采集单元，32、PID控制器，4、模数转换模块，5、中央处理器，6、监控后台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例：
一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统，如图1所示，包括多通道传感器1、数据处理模块2、温度补偿模块3和模数转换模块4，所述多通道传感器与数据处理模块连接，所述多通道传感器用于实时采集终端信号，所述温度补偿模块用于采集多通道传感器所处环境的温度信号，并获取温度信号的PID输出值，所述数据处理模块还与温度补偿模块连接，所述数据处理模块用于对多通道传感器采集的终端信号进行信号预处理，所述数据处理模块还用于根据PID输出值对终端信号进行温度补偿，所述模数转换模块与数据处理模块连接，所述模数转换模块用于将温度补偿后的终端信号进行模数转换，获取终端信号对应的数字信号。
所述温度补偿模块包括温度采集单元31和PID控制器32，所述温度采集单元与PID控制器连接，所述温度采集单元设置在终端上，用于采集多通道传感器所处环境的温度信号，所述PID控制器与数据处理模块连接，所述PID控制器用于根据温度信号获取温度补偿所需的PID输出值，并将PID输出值传输至数据处理模块，数据处理模块根据PID输出值进行温度补偿。
所述PID控制器内包括PID调节电路，如图2所示，所述PID调节电路包括电容C1电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3和运算放大器A1，所述电容C1与电阻R1并联连接，所述电阻R1与运算放大器A1的反向输入端连接，所述运算放大器A1的同相输入端通过电阻R2接地，所述电阻R3和电容C2互相串联，且一起并联在运算放大器A1反向输入端和输出端之间。
温度采集单元可以为温度传感器，通过温度传感器采集终端所处环境的温度信号，将其转换为对应的电压幅值信号，并通过PID调节电路实现对于温度信号的比例、积分和微分运算，PID调节电路输出稳定的PID输出值。
所述数据处理模块包括滤波放大单元21和温度补偿处理单元22，所述滤波放大单元与多通道传感器连接，所述滤波放大单元用于对多通道传感器采集到的数据进行噪声滤除，并对噪声滤除后的数据进行信号放大，所述温度补偿处理单元同时与滤波放大单元以及PID控制器连接，所述温度补偿处理单元根据PID控制器传输的PID输出值对滤波放大单元处理后的终端信号进行温度补偿。
所述滤波放大单元包括运算放大器，通过运算放大器实现对于终端信号的噪声滤除和信号放大。所述温度补偿处理单元可以为单片机、运算放大器等数据处理元器件。
所述模数转换模块包括24位模数转换芯片。
还包括中央处理器5和监控后台6，所述中央处理器与模数转换模块连接，所述中央处理器用于对模数转换模块获取的数字信号进行计算，获取多通道传感器的采样值，所述监控后台与中央处理器无线连接，所述监控后台用于实时展示多通道传感器的采样值。
所述中央处理器具体为单片机，中央处理器在获取采样值后，通过5G、4G、蓝牙或无线网等无线传输方式将采样值实时传输至监控后台。
以采集压力信号为例，在进行数据采样时，先将多通道传感器分别连接基准电压，采集终端上的压力信号，并将采集到的压力信号转换为电压幅值信号，由运算放大器进行噪声滤除和信号放大。温度传感器采集温度信号，并通过PID调节电路根据温度信号输出稳定的PID输出值。温度补偿处理单元根据PID输出值对噪声滤除和放大后的电压幅值信号进行温度补偿，模数转换芯片再将温度补偿后的电压幅值信号进行转换，获取稳定且高精度的数字信号，并通过中央处理器进行数字信号的计算，以获取多通道传感器采集到的压力信号的具体采样值，并将其传输至监控后台进行展示。
一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤一，多通道传感器实时采集终端信号，对采集的终端信号进行信号预处理；
步骤二，采集多通道传感器所处环境的温度信号，并根据温度补偿模块获取温度信号的PID输出值；
步骤三，根据PID输出值对信号预处理后的终端信号进行温度补偿，获取终端信号对应的模拟信号值，并对模拟信号值进行模数转换，获取对应的数字信号。
步骤二中所述采集多通道传感器所处环境的温度信号，并根据PID控制算法获取温度信号的PID输出值的具体过程为：获取多通道传感器采集的终端信号类型，并根据终端信号类型设置PID控制器参数，将温度信号与PID控制器参数进行比较，获取两者差值，通过比例、积分和微分运算对两者差值进行调节，获取温度信号的PID输出值。
PID控制器参数具体包括多通道传感器正常运行时的标准温度值、比例系数、积分系数和微分系数，通过PID控制器能够确定现存温度与标准温度间的偏差程度，即PID输出值。
步骤三中根据PID输出值对信号处理后的终端信号进行温度补偿的具体过程为：获取终端信号类型，依次计算温度与终端运行、多通道传感器采样精度以及模数转换芯片运行之间的关联系数，并根据关联系数的计算结果设置终端运行关联系数、多通道传感器采样精度关联系数和模数转换芯片运行关联系数的权重，根据PID输出值、关联系数以及对应的权重对终端信号进行温度补偿。
由于环境温度会对终端运行、多通道传感器采样精度和模数转换芯片运行均造成影响，而终端、多通道传感器和模数转换芯片都涉及采样数据的处理，因此在进行温度补偿时，考虑温度对于终端、多通道传感器和模数转换芯片的影响，以保障温度补偿的准确性。且由于温度在不同环节对于采样数据的影响可能为正相关或负相关，所以分别分析温度与三者的关联系数。
所述关联系数的计算可以通过灰色关联算法来实现。
步骤三中对模拟信号值进行模数转换，获取对应的数字信号后，还通过中央处理器对数字信号进行计算，根据计算结果获取多通道传感器的采样值，所述中央处理器获取多通道传感器的采样值后，还将多通道传感器的采样值传输至监控后台，监控后台实时展示多通道传感器的采样值。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (9)
1.一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，多通道传感器实时采集终端信号，对采集的终端信号进行信号预处理；
步骤二，采集多通道传感器所处环境的温度信号，并根据温度补偿模块获取温度信号的PID输出值；
步骤三，根据PID输出值对信号预处理后的终端信号进行温度补偿，获取终端信号对应的模拟信号值，并对模拟信号值进行模数转换，获取对应的数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样方法，其特征在于，步骤二中所述采集多通道传感器所处环境的温度信号，并根据PID控制算法获取温度信号的PID输出值的具体过程为：获取多通道传感器采集的终端信号类型，并根据终端信号类型设置PID控制器参数，将温度信号与PID控制器参数进行比较，获取两者差值，通过比例、积分和微分运算对两者差值进行调节，获取温度信号的PID输出值。
3.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样方法，其特征在于，步骤三中根据PID输出值对信号处理后的终端信号进行温度补偿的具体过程为：获取终端信号类型，依次计算温度与终端运行、多通道传感器采样精度以及模数转换芯片运行之间的关联系数，并根据关联系数的计算结果设置终端运行关联系数、多通道传感器采样精度关联系数和模数转换芯片运行关联系数的权重，根据PID输出值、关联系数以及对应的权重对终端信号进行温度补偿。
4.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样方法，其特征在于，步骤三中对模拟信号值进行模数转换，获取对应的数字信号后，还通过中央处理器对数字信号进行计算，根据计算结果获取多通道传感器的采样值，所述中央处理器获取多通道传感器的采样值后，还将多通道传感器的采样值传输至监控后台，监控后台实时展示多通道传感器的采样值。
5.一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统，其特征在于，包括多通道传感器、数据处理模块、温度补偿模块和模数转换模块，所述多通道传感器与数据处理模块连接，所述多通道传感器用于实时采集终端信号，所述温度补偿模块用于采集多通道传感器所处环境的温度信号，并获取温度信号的PID输出值，所述数据处理模块还与温度补偿模块连接，所述数据处理模块用于对多通道传感器采集的终端信号进行信号预处理，所述数据处理模块还用于根据PID输出值对终端信号进行温度补偿，所述模数转换模块与数据处理模块连接，所述模数转换模块用于将温度补偿后的终端信号进行模数转换，获取终端信号对应的数字信号。
6.根据权利要求5所述的一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统，其特征在于，所述温度补偿模块包括温度采集单元和PID控制器，所述温度采集单元与PID控制器连接，所述温度采集单元设置在终端上，用于采集多通道传感器所处环境的温度信号，所述PID控制器与数据处理模块连接，所述PID控制器用于根据温度信号获取温度补偿所需的PID输出值，并将PID输出值传输至数据处理模块，数据处理模块根据PID输出值进行温度补偿。
7.根据权利要求6所述的一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统，其特征在于，所述数据处理模块包括滤波放大单元和温度补偿处理单元，所述滤波放大单元与多通道传感器连接，所述滤波放大单元用于对多通道传感器采集到的数据进行噪声滤除，并对噪声滤除后的数据进行信号放大，所述温度补偿处理单元同时与滤波放大单元以及PID控制器连接，所述温度补偿处理单元根据PID控制器传输的PID输出值对滤波放大单元处理后的终端信号进行温度补偿。
8.根据权利要求5所述的一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统，其特征在于，所述模数转换模块包括24位模数转换芯片。
9.根据权利要求5所述的一种带温度补偿的多通道传感器高精度采样系统，其特征在于，还包括中央处理器和监控后台，所述中央处理器与模数转换模块连接，所述中央处理器用于对模数转换模块获取的数字信号进行计算，获取多通道传感器的采样值，所述监控后台与中央处理器无线连接，所述监控后台用于实时展示多通道传感器的采样值。
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