CN115962867B - 空间科学实验温度测量系统的数据采集标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间科学实验温度测量系统的数据采集标定方法及系统。本发明方法包括：实时采集空间材料科学实验温度测量系统中多个热电偶的电压或温度数据、以及热敏电阻阻值即冷段补偿温度数据；采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶的电压数据和温度传感器热敏电阻阻值数据，从而得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数；将计算得到的校正系数注入到温度测量系统，对热电偶电压数据和热敏电阻的阻值数据进行标定；再次实时采集温度数据，获得标定后的热电偶温度数据和温度测量系统所处的环境温度数据，并显示和储存。本发明提出的标定方法，能够快速精准地采集空间材料实验过程中样品的温度数据。
Description
技术领域
本发明涉及空间材料科学实验温度测量领域，具体涉及一种空间科学实验温度测量系统的数据采集标定方法及系统。
背景技术
在冶金、石油、化工、机械、航空航天等各种工业行业中，对温度的测量都有着十分重要的意义。
在空间材料科学晶体生长实验中，需要获取加热炉中材料样品上的温度分布。目前温度测量有两种方式，一是接触式测量，二是非接触式测量。对于接触式测量，热电偶是使用较多的温度测量元件。热电偶是一种常见的基于温差电效应原理的温度计量元件，已经被广泛的应用于各个行业中，特别是一些高温测量环境中，如冶金、航空航天领域等。在空间材料科学晶体生长实验中，通过安瓿中安装的热电偶，能够测量得到材料样品上的实时温度。采用空间站高温材料科学实验柜控制模块建立与温度测量系统之间的串行通讯，实验人员可以实时观测到空间材料科学实验中样品上的温度分布及其变化过程，这对材料科学家研究材料的形成过程具有重要的意义。
由于空间材料科学实验中温度数据采集及标定的工作量比较大，若测试人员需要对数据逐个采集及标定，不仅会耗费大量时间，还会花费大量的人力和物力，不利于空间材料科学实验的高效进展。
发明内容
本发明的目的在于实现采用PC上位机建立与温度测量系统之间的串行通讯，实验人员在地面可以使温度测量系统准确地测量到样品上温度的分布，当温度测量系统在空间站上工作时，可以实时观测到空间材料科学实验中样品上的温度分布及其变化过程，提出了一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定方法及系统。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
本发明提出了一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，该方法包括：
实时采集空间材料科学实验温度测量系统中多个热电偶的电压(温度)数据、以及热敏电阻阻值(温度)数据；(实际的温度＝热电偶的信号+热敏电阻的冷段补偿信号；所以两个信号都要准，测量的温度才会准；)
采集温度数据，采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶的电压数据和温度传感器热敏电阻阻值数据，从而得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数；
将计算得到的校正系数注入到温度测量系统，对热电偶电压数据和热敏电阻的阻值数据进行标定；
再次实时采集温度数据，获得标定后的热电偶温度数据和温度测量系统所处的环境温度数据，并显示和储存。
作为上述技术方案的改进之一，所述对热电偶电压数据和热敏电阻的阻值数据进行标定，包括：
步骤S1.使用5位半以上精度的万用表测量得到模拟信号源的电压或测量得到模拟信号源的电阻，并作为输入模拟信号标定的基准值；
步骤S2.将温度测量系统反馈的模拟信号进行A/D转换，获得对应的数字信号，并作为待校正值；
步骤S3.重复步骤S1-S2，获得一系列模拟信号和数字信号，并进行分段线性化处理，具体包括：将整个输入信号电压范围或电阻的阻值范围分为B段，并在每一段中采集C组数字信号和模拟信号对，分别对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数。
作为上述技术方案的改进之一，所述采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数，具体包括：
使用最小二乘法进行线性拟合，公式如下：
其中，X(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的模拟信号采样值，x(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的数字信号采样值，并且，当X(i)为电压模拟信号采样值时，x(i)则为电压数字信号采样值；当X(i)为电阻模拟信号采样值时，x(i)则为电阻数字信号采样值；n(i)为第i对模拟、数字信号计算的线性拟合误差；K为线性拟合后一次函数的系数，B为线性拟合后一次函数的常数项；
设置极小化准则函数J：
取K、B为Jmin时的系数值；Jmin为准则函数J的最小值；
n为数据个数。
作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：对标定结果与万用表得到的基准输入信号进行精度校验，计算出基准值X(i)和A/D转换后的数字量x(i)之间的绝对误差e1和相对误差e2，误差控制在精度要求以内；绝对误差e1和相对误差e2的计算式分别为：
e1＝X(i)-x(i)
本发明还提出了一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定系统，所述数据采集标定系统包括：数据采集模块、数据校正模块、数据注入模块、数据显示模块、数据存储模块和串口通讯模块；
所述数据采集模块，用于按照采样的间隔时间，实时采集多个热电偶的电压(温度)数据、以及热敏电阻阻值(温度)数据，并判断采集的温度数据是否准确：若准确，则将温度数据传输到数据显示模块和存储模块；若不准确，则将热电偶的电压和热敏电阻的阻值传输到数据校正模块；
所述数据校正模块，采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶电压数据和热敏电阻阻值数据，计算得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数；
所述数据注入模块，将数据校正模块中计算得到的校正系数注入到温度测量系统，对热电偶电压数据和热敏电阻的阻值数据进行标定；
所述数据显示模块，用于实时显示采集到的热电偶电压热电偶温度数据，热敏电阻的阻值数据，热敏电阻温度数据和采集数据的时间；
所述数据存储模块，用于保存数据显示模块中的所有数据和数据校正模块计算的所有校正系数；
所述串口通讯模块，用于设置上位机与温度测量系统之间的串行通讯要求的串口号、波特率、数据位、校验位和停止位；
所述上位机与温度测量系统之间的串行通讯采用主从结构：上位机为主机，温度测量系统为从机；上位机发给温度测量系统的数据称为命令帧，温度测量系统发送给上位机的数据称为应答帧；主机每发送1帧命令帧，从机应答1帧应答帧；从机不主动发起通信。
作为上述技术方案的改进之一，在所述数据采集模块中，按照采样的间隔时间，实时采集多个热电偶的电压和温度数据，具体包括：
通过上位机设置采样的间隔时间，按照通讯协议向温度测量系统发送命令，实时采集多个热电偶的电压、温度数据，热敏电阻的阻值数据以及温度数据；
通过上位机向温度测量系统循环发送命令帧；温度测量系统接收到数据采集命令后，按照通讯协议将电压所有数据反馈给上位机；数据通过串口成功发送到上位机，上位机对接收的电压采集值数据包进行解包；解包后的数据有环境温度T1、热敏电阻阻值R1、热电偶电压值S1、S2、S3、S4、S5。
作为上述技术方案的改进之一，在所述数据校正模块中，计算得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数，具体包括：
步骤S1.使用5位半以上精度的万用表测量得到模拟信号源的电压或模拟信号源的电阻，并作为输入模拟信号标定的基准值；
步骤S2.将温度测量系统反馈的模拟信号进行A/D转换，获得对应的数字信号，并作为待校正值；
步骤S3.重复步骤S1-S2，获得一系列模拟信号和数字信号，并进行分段线性化处理，具体包括：将整个输入信号电压范围或电阻的阻值范围分为B段，并在每一段中采集C组数字信号和模拟信号对，分别对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S3中对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数，具体包括：
使用最小二乘法进行线性拟合，公式如下：
其中，X(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的模拟信号采样值，x(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的数字信号采样值，并且，X(i)为电压模拟信号采样值时，x(i)为电压数字信号采样值；X(i)为电阻模拟信号采样值时，x(i)为电阻数字信号采样值；n(i)为第i对模拟、数字信号计算的线性拟合误差；K为线性拟合后一次函数的系数，B为线性拟合后一次函数的常数项；
设置极小化准则函数J：
取K、B为Jmin时的系数值；Jmin为准则函数J的最小值；
n为数据个数。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤S3中对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数，还包括：对标定结果K和B与万用表得到的基准输入信号进行精度校验，计算出基准值X(i)和A/D转换后的数字量x(i)之间的绝对误差e1和相对误差e2，相对误差控制在精度要求以内；
绝对误差e1和相对误差e2的计算式分别为：
e1＝X(i)-x(i)
作为上述技术方案的改进之一，在所述数据注入模块中，将数据校正模块中计算得到的校正系数注入到温度测量系统，具体包括：
通过上位机选择注入的热电偶号，每M段校正系数为一组，每组校正系数组成固定数据包格式发送给温度测量系统；温度测量系统对收到的数据包依照通讯协议进行解析，根据校正系数修正采集的模拟量输入信号。本发明与现有技术相比优点在于：
1.本发明提供的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，经实际测试验证，能够快速精准地采集空间材料样品温度数据，其具有高速度、高效率、高精确度且操作方便的特点，能够提高空间科学实验的效率，解决测量准确度不高的问题，在空间科学实验中具有重要意义；
2.本发明方法能够达到电压测量精度小于1uV、电阻测量精度小于1mΩ的高精度要求，能够提高空间科学实验效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法的数据流图；
图2是本发明实施例1的一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法的数据校正原理图；
图3是本发明实施例1的空间材料科学实验温度测量系统的数据校正模块图。
具体实施方式
本发明的一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，它涉及空间材料科学实验和计算机应用技术领域。
所述方法包括：串口通讯模块，可设置上位机与温度测量系统串行通讯要求的串口号、波特率、数据位、校验位和停止位，并实现串口的通讯功能。
数据采集模块，设置采样的间隔时间，按照通讯协议向温度测量系统发送命令，实时采集多个热电偶的电压数据，热敏电阻的阻值数据以及温度传感器DS18B20的温度数据。
数据校正模块，采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶电压采样数据和热敏电阻阻值采样数据，计算得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数。
数据注入模块，将数据校正模块中计算得到的校正系数按照通讯协议分段注入到温度测量系统。校正系数注入成功后，可以通过数据点播功能查看温度测量系统存储单元中保存的所有校正系数。
数据显示模块，以表格的形式实时显示采集到的热电偶电压和温度数据，热敏电阻的阻值数据和温度数据，温度传感器DS18B20的温度数据以及采集的时间。
数据存储模块，保存数据显示模块中的所有数据和数据校正模块计算的所有校正系数。
本发明提供的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，能够快速精准地采集及校正空间材料科学实验样品的实时温度数据，其具有高速度、高效率、高精确度且操作方便的特点，达到电压测量精度小于1uV、电阻测量精度小于1mΩ的高精度要求，能够提高空间科学实验效率，在空间材料科学实验中具有重要意义。
本发明的目的是提供一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，以便于实验人员能够高效率地采集及校正空间材料科学实验中测量到的温度数据，解决空间材料科学实验中所要求的温度测量准确度问题。
为实现上述目的，本发明包括：串口通讯、数据采集、数据校正、数据注入、数据显示和数据存储六个模块。串口通讯模块，设置上位机与温度测量系统串行通讯要求的串口号、波特率、数据位、校验位和停止位。
数据采集模块，设置采样的间隔时间，按照通讯协议向温度测量系统发送命令，实时采集多个热电偶的电压，热敏电阻的阻值数据以及温度传感器DS18B20的温度数据。
数据校正模块，采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶电压数据和热敏电阻阻值数据，计算得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数。
数据注入模块，将数据校正模块中计算得到的校正系数按照通讯协议分段注入到温度测量系统。校正系数注入成功后，可以通过数据点播功能查看温度测量系统存储单元中保存的所有校正系数。
数据显示模块，以表格的形式实时显示采集到的热电偶电压、温度数据，热敏电阻的阻值数据、温度数据，温度传感器DS18B20的温度数据以及采集数据的时间。
数据存储模块，保存数据显示模块中的所有数据和数据校正模块计算的所有校正系数。
进一步的，所述的串口通讯设置模块，上位机与温度测量系统之间的串口通讯采用主从结构。所述上位机为主机，所述温度测量系统为从机，上位机发给温度测量系统的数据称为命令帧，温度测量系统发送给上位机的数据称为应答帧。主机每发送1帧(命令帧)，从机应答1帧(应答帧)。从机不主动发起通信。通过上位机软件的串口参数设置界面配置串口号、波特率、数据位、校验位、停止位等参数。上位机软件可以实现自动扫描串口号，方便测试人员的使用。当上位机与温度测量系统之间发生通讯错误时，上位机可以接收来自温度测量系统的错误类型指令，并通过错误提示窗口向测试人员呈现错误信息。测试人员根据错误提示检测温度测量系统。
进一步的，所述的数据采集模块，设置采样的间隔时间，按照通讯协议向温度测量系统发送命令，实时采集多个热电偶的电压和温度数据，热敏电阻的阻值数据和温度数据以及温度传感器DS18B20的温度数据电压，所述上位机循环发送命令帧，其中上位机发送的数据采集指令以十六进制形式向温度测量系统发送。温度测量系统接收到数据采集命令后，按照通讯协议将电压所有数据反馈给上位机。数据通过串口成功发送到上位机，上位机对接收的电压采集值数据包进行解包。解包后的数据有环境温度T1、热敏电阻阻值R1、热电偶电压值S1、S2、S3、S4、S5。
进一步的，所述的数据校正模块，主要包括两个部分：一是对热电偶电压数据校正，以5位半以上精度的万用表测量得到信号源的电压作为输入信号，模拟量基准值Vi，以温度测量系统反馈该信号源经A/D转换后的数字量Di作为待校正值。由于温度测量系统中的AD转换结果受传感器自身特性的非线性、参考电压波动、温漂、零漂等问题的影响，导致实际物理量与转换的数字量之间存在非线性关系。简单地对整个输入信号电压范围区间的非线性关系进行线性拟合时，两端与实际曲线的拟合度很低，得到的拟合函数无法准确地表达整个输入信号电压范围内实际物理量和数字量间的关系，因此得到一系列Vi和Di值后需要分段线性化处理。将整个输入信号电压范围等分为16段，每一段上采集10组数字模拟信号对，分别对每个划分区间采用最小二乘法进行线性拟合。此时可认为每个划分区间中的实际物理量和数字量间存在线性关系，而在整个输入信号电压范围内实际物理量和数字量之间是非线性关系。运用最小二乘法可以计算出每一段的标定系数，即K和B系数，并计算标定结果。最后对校正结果与万用表得到的基准输入信号进行精度校验，计算出基准值Vi和A/D转换后的数字量Di之间的相对误差和绝对误差。并控制精度相对误差在0.01％以内，满足空间科学实验对于物理量测量的精度要求。二是对热敏电阻阻值进行校正，以5位半以上精度的万用表测量得到的热敏电阻阻值作为输入信号模拟量基准值Roi，以温度测量系统反馈该信号源经A/D转换后的数字量Ri作为待校正值。热敏电阻阻值校正的方法与热电偶电压校正方法一致，均采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法。
进一步的，所述的数据注入模块，主要包括两个部分，一是注入热电偶电压的校正系数，数据校正模块通过对热电偶电压数据标定，得到16段对应的标定系数，即K和B系数。上位机选择注入的热电偶号，每四段校正系数为一组，每组校正系数组成固定数据包格式发送给温度测量系统。温度测量系统对收到的数据包依照通讯协议进行解析，根据标定系数修正采集到的模拟量输入信号。所有校正系数注入完毕，温度测量系统对模拟量输入信号进行线性校正后，上位机再次向温度测量系统发送采集数据命令，校正后的电压数据会准确的反馈给测试人员。二是注入热敏电阻的校正系数，注入方式与热电偶电压校正系数注入方式类似。测试人员可使用数据点播功能，查询温度测量系统存储单元中每个热电偶的每一段校正系数和热敏电阻的每一段校正系数，以便于测试人员检查校正系数是否成功注入。
进一步的，所述的数据显示模块。主要包括两个部分，一是以表格的形式实时显示采集到的热电偶电压和温度数据，热敏电阻的阻值数据和温度数据，温度传感器DS18B20的温度数据以及采集的时间。二是以文本格式显示上位机接收到的十六进制通讯原码数据。
进一步的，所述的数据存储模块，主要包含两个部分，一是存储数据显示模块中的热电偶温度、电压数据，热敏电阻温度和阻值数据，温度传感器DS18B20所测的温度数据和上位机接收到的十六进制通讯原码数据；二是存储数据校正模块中计算得到的每一段校正系数，校正的绝对误差和相对误差。测试人员选择数据保存的文件位置，以.xlsx的格式保存。文件名为文件生成的日期，如“20220101”，每个自然日期重新形成并命名新的数据文件。
以下结合实施例和图1-图3进一步说明本发明所提供的技术方案。
实施例1
如图1所示，为本发明提出的一种空间材料科学实验温度测量系统组成框图，本发明系统，主要包括串口通讯、数据采集、数据校正、数据注入、数据显示和数据存储六个模块。串口通讯模块，设置上位机与温度测量系统串行通讯要求的串口号、波特率、数据位、校验位和停止位。数据采集模块，设置采样的间隔时间，按照通讯协议向温度测量系统发送命令，实时采集多个热电偶的电压和温度数据，热敏电阻的阻值数据和温度数据以及温度传感器DS18B20的温度数据。若采集的温度数据在误差允许的范围之内，则乘以k＝1，b＝0的校正系数，对温度数据进行显示和储存”.数据校正模块，采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶电压数据和热敏电阻阻值数据，计算得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数。数据注入模块，将数据校正模块中计算得到的校正系数按照通讯协议分段注入到温度测量系统。校正系数注入成功后，可以通过数据点播功能查看温度测量系统存储单元中保存的所有校正系数。数据显示模块，以表格的形式实时显示采集到的热电偶电压、温度数据，热敏电阻的阻值数据和温度数据，温度传感器DS18B20的温度数据以及采集数据的时间。数据存储模块，保存数据显示模块中的所有数据和数据校正模块计算的所有校正系数。
所述的上位机与温度测量系统之间的串口通讯采用主从结构。所述上位机为主机，所述温度测量系统为从机。
所述上位机发给温度测量系统的数据称为命令帧，温度测量系统发送给上位机的数据称为应答帧。主机每发送1帧(命令帧)，从机应答1帧(应答帧)。从机不主动发起通信。
所述的热电偶电压数据标定，以5位半以上精度的万用表测量得到的信号源的电压作为输入信号，模拟量标定的基准值Vi，温度测量系统反馈的该信号源经A/D转换后的值数字量Di。一系列Vi和Di值后需要分段线性化处理，将整个输入信号电压范围等分为16段，每一段上采集10组数字模拟信号对，分别对每个划分区间采用最小二乘法进行线性拟合。
最小二乘法计算公式如下：
其中V(i)为所取电压段上第i个电压模拟信号采样值，D(i)为所取电压段上第i个电压数字信号采样值，n(i)为第i对模拟、数字信号计算的线性拟合误差。
极小化准则函数：
取K、B为J或Jmin时的系数值；
最后对标定结果与万用表得到的基准输入信号进行精度校验，计算出基准值V(i)和A/D转换后的数字量D(i)之间的相对误差和绝对误差。
绝对误差：
e1＝X(i)-x(i)
相对误差：
控制精度相对误差在0.01％以内，满足空间材料科学实验对于热电偶测量的精度要求。
所述的对热敏电阻阻值进行校正，以5位半以上精度的万用表测量得到的热敏电阻阻值作为输入信号模拟量基准值Roi，以温度测量系统反馈该信号源经A/D转换后的数字量Ri作为待校正值。校正的方法与热电偶电压校正方法一致，均采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法。
所述上位机选择注入的热电偶号，每四段校正系数为一组，每组校正系数组成固定数据包格式发送给温度测量系统。温度测量系统对收到的数据包依照通讯协议进行解析，根据校正系数修正采集的模拟量输入信号。
所述上位机设置采样的间隔时间，按照通讯协议向温度测量系统发送命令，实时采集多个热电偶的电压、温度数据，热敏电阻的阻值数据、温度数据以及温度传感器DS18B20的温度数据。
所述上位机循环发送命令帧，其中上位机发送的数据采集指令以十六进制形式向温度测量系统发送。温度测量系统接收到数据采集命令后，按照通讯协议将电压所有数据反馈给上位机。数据通过串口成功发送到上位机，上位机对接收的电压采集值数据包进行解包。解包后的数据有环境温度T1、热敏电阻阻值R1、热电偶电压值S1、S2、S3、S4、S5。
所述上位机以表格的形式实时显示环境温度T1、热敏电阻阻值R1、热电偶电压值S1、S2、S3、S4、S5。并以文本格式实时显示上位机接收到的十六进制通讯原码数据。
所述的数据存储，主要包含两个部分，一是存储所述上位机解析后的热电偶温度、电压数据，热敏电阻阻值数据、温度数据，温度传感器DS18B20所测的温度数据，上位机接收到的十六进制通讯原码数据；二是存储数据校正模块中计算得到的每一段校正系数，校正的绝对误差和相对误差。所述上位机可以使用数据点播功能查询所述温度测量系统存储单元中每个热电偶的每一段校正系数和热敏电阻的每一段校正系数，以便于测试人员检查校正系数是否成功注入。
所述上位机与温度测量系统遵守的通讯协议主要由两个部分组成。一是上位机发送给温度测量系统的命令帧，二是温度测量系统发送给上位机的应答帧。命令帧和应答帧均有64个字节。
命令帧的第一个字段为数据包头，占用2个字节，用于识别一帧的开始；第二个字段为指令码，占用1个字节，用于标明该命令帧的用途。上位机采集数据发送的命令帧指令码为0X17，而发送校正系数的命令帧指令码为0X20-0X7F，；第三个字段为数据区，占用60个字节，上位机采集数据发送的命令帧数据区全部为0XAA，而发送校正系数的命令帧数据区，每个校正系数占用4个字节，剩下的用0XAA填充；最后一个字段是累加和，占用1个字节。
应答帧的第一个字段为数据包头，占用2个字节，用于识别一帧的开始；第二个字段为数据区，占用26个字节，2个字节表示温度传感器18B20所测温度，20个字节表示5个热电偶电压数据，4个字节表示热敏电阻电阻值数据；第三个字段是填充区，占用37个字节，全部填充为0XAA；最后一个字段是累加和，占用1个字节。
利用所述方法开展的空间材料科学实验，达到电压测量精度小于1uV、电阻测量精度小于1mΩ的高精度要求。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示，本发明提供了一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，包括串口通讯设置、数据采集、数据校正、数据注入、数据显示和数据存储六个模块。
建立上位机与温度测量系统的串口通讯，实时采集多个热电偶电压数据，并显示解析后数据。测试员通过观察解析后的数据，判断温度测量系统的模拟信号是否准确。若不准确，对热电偶电压数据进行标定。将计算得到的标定系数发送给温度测量系统。上位机再次实时采集温度数据，即可获得标定后的热电偶温度数据和温度测量系统所处的环境温度数据，将其显示和存储。采用上述方法后，可以得到热电偶在0℃～1700℃范围内的温度值，提高空间科学实验的效率，解决空间材料科学实验对温度测量准确度有极高要求的问题，对于空间科学实验有重大意义。
如图2所示，本发明提供了一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，由于温度测量系统中的AD转换结果受传感器自身特性的非线性、参考电压波动、温漂、零漂等问题的影响，导致实际物理量与转换的数字量之间存在非线性关系。简单地对整个输入信号电压范围区间的非线性关系进行线性拟合时，两端与实际曲线的拟合度很低，得到的拟合函数无法准确地表达整个输入信号电压范围内实际物理量和数字量间的关系，因此得到一系列Vi和Di值后需要分段线性化处理。
将整个输入信号电压范围等分为16段，每一段上采集10组数字模拟信号对，分别对每个划分区间采用最小二乘法进行线性拟合。此时可认为每个划分区间中的实际物理量和数字量间存在线性关系，而在整个输入信号电压范围内实际物理量和数字量之间是非线性关系。运用最小二乘法可以计算出每一段的标定系数，即K和B系数，并计算标定结果。
实施例2
如图3所示，本发明数据标定的方法采用的是基于最小二乘法的最优化分段线性拟合方法，以满足空间科学实验要求的误差标准为前提，将整个输入信号范围划分为不同的区间，在每个分段区间内对实际物理量和AD转换数字量采用最小二乘法进行直线拟合，确定各条直线的待定系数K(斜率)和B(截距)。确定K和B后，得到y＝Kx+B这样一条直线，使得用这条直线去近似这段曲线时，整个区间内的误差都较小，最后可得到整个输入信号范围内确定的函数关系。最小二乘法的主要思想是使估计值与实际数据之间误差的平方和为最小。其可根据每个区间内的数据点，确定出K和B值，使取最小值。
本发明中所述上位机以精度为5位半以上的万用表测量得到的信号源的电压作为输入信号，模拟量标定的基准值Vi，温度测量系统反馈的该信号源经A/D转换后的值数字量Di。将整个输入信号电压范围等分为16段，每一段上采集10组数字模拟信号对，分别对每个划分区间采用最小二乘法进行线性拟合。最小二乘法计算公式如下：
其中V(i)为所取电压段上第i个电压模拟信号采样值，D(i)为所取电压段上第i个电压数字信号采样值，n(i)为第i对模拟、数字信号计算的线性拟合误差。
极小化准则函数：
取K、B为J或Jmin时的系数值；
最后对标定结果与万用表得到的基准输入信号进行精度校验，计算出基准值V(i)和A/D转换后的数字量D(i)之间的相对误差和绝对误差。
绝对误差：
e1＝X(i)-x(i)
相对误差：
最后，上位机通过选择不同热电偶号和不同分段，将分别对应的标定系数组成固定数据包格式发送给温度测量系统。温度测量系统对收到的数据包依照指令格式进行解析，根据标定系数修正采集到的模拟量输入信号。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明提供的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集及标定方法，经实际测试验证，能够快速精准地采集空间材料样品温度数据，其具有高速度、高效率、高精确度且操作方便的特点，能够提高空间科学实验的效率，解决测量准确度不高的问题，在空间科学实验中具有重要意义。
最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定方法，该方法包括：
实时采集空间材料科学实验温度测量系统中多个热电偶的电压数据、以及热敏电阻的阻值数据；
采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶的电压数据和热敏电阻的阻值数据，从而得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数；
将计算得到的校正系数注入到温度测量系统，对热电偶电压数据和热敏电阻的阻值数据进行标定；
再次实时采集多个热电偶的电压数据以及热敏电阻的阻值数据，获得标定后的热电偶的电压数据和热敏电阻的阻值数据，并显示和储存；
所述校正系数的获取过程，包括：
步骤S1.使用5位半以上精度的万用表测量得到模拟信号源的电压或测量得到模拟信号源的电阻，并作为输入模拟信号标定的基准值；
步骤S2.将温度测量系统反馈的模拟信号进行A/D转换，获得对应的数字信号，并作为待校正值；
步骤S3.重复步骤S1-S2，获得一系列模拟信号和数字信号，并进行分段线性化处理，具体包括：将整个输入信号电压范围或热敏电阻的阻值范围分为B段，并在每一段中采集C组数字信号和模拟信号对，分别对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数。
2.根据权利要求1所述的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定方法，其特征在于，所述采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数，具体包括：
使用最小二乘法进行线性拟合，公式如下：
其中，X(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的模拟信号采样值，x(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的数字信号采样值，并且，当X(i)为电压模拟信号采样值时，则x(i)为电压数字信号采样值；当X(i)为电阻模拟信号采样值时，则x(i)为电阻数字信号采样值；n(i)为第i对模拟、数字信号计算的线性拟合误差；K为线性拟合后一次函数的系数，B为线性拟合后一次函数的常数项；
设置极小化准则函数J：
取K、B为Jmin时的系数值；Jmin为准则函数J的最小值；
n为数据个数。
3.根据权利要求2所述的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定方法，其特征在于，再次实时采集多个热电偶的电压数据以及热敏电阻的阻值数据，获得标定后的热电偶的电压数据和热敏电阻的阻值数据，并显示和储存后，所述方法还包括：对标定结果与万用表得到的基准值进行精度校验，计算出基准值X(i)和A/D转换后的数字量x(i)之间的绝对误差e1和相对误差e2，误差控制在精度要求以内；绝对误差e1和相对误差e2的计算式分别为：
e1＝X(i)-x(i)
4.一种空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定系统，其特征在于，所述数据采集标定系统包括：数据采集模块、数据校正模块、数据注入模块、数据显示模块、数据存储模块和串口通讯模块；
所述数据采集模块，用于按照采样的间隔时间，实时采集多个热电偶的电压数据、以及热敏电阻的阻值数据，并判断采集的热电偶的电压数据和热敏电阻的阻值数据是否准确：若准确，则将热电偶的电压数据、热敏电阻的阻值数据传输到数据显示模块和数据存储模块；若不准确，则将热电偶的电压数据和热敏电阻的阻值数据传输到数据校正模块；
所述数据校正模块，采用最小二乘法的最优化分段线性拟合方法校正热电偶电压数据和热敏电阻阻值数据，计算得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数；
所述数据注入模块，将数据校正模块中计算得到的校正系数注入到温度测量系统，对热电偶电压数据和热敏电阻的阻值数据进行标定；
所述数据显示模块，用于实时显示采集到的热电偶的电压数据，热敏电阻的阻值数据、和采集数据的时间；
所述数据存储模块，用于保存数据显示模块中的所有数据和数据校正模块计算的所有校正系数；
所述串口通讯模块，用于设置上位机与温度测量系统之间的串行通讯要求的串口号、波特率、数据位、校验位和停止位；
所述上位机与温度测量系统之间的串行通讯采用主从结构：上位机为主机，温度测量系统为从机；上位机发给温度测量系统的数据称为命令帧，温度测量系统发送给上位机的数据称为应答帧；主机每发送1帧命令帧，从机应答1帧应答帧；从机不主动发起通信；
在所述数据校正模块中，计算得到热电偶电压值和热敏电阻阻值每一段的校正系数，具体包括：
步骤S1.使用5位半以上精度的万用表测量得到模拟信号源的电压或测量得到模拟信号源的电阻，并作为输入模拟信号标定的基准值；
步骤S2.将温度测量系统反馈的模拟信号进行A/D转换，获得对应的数字信号，并作为待校正值；
步骤S3.重复步骤S1-S2，获得一系列模拟信号和数字信号，并进行分段线性化处理，具体包括：将整个输入信号电压范围或电阻的阻值范围分为B段，并在每一段中采集C组数字信号和模拟信号对，分别对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数。
5.根据权利要求4所述的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定系统，其特征在于，在所述数据采集模块中，按照采样的间隔时间，实时采集多个热电偶的电压数据，具体包括：
通过上位机设置采样的间隔时间，按照通讯协议向温度测量系统发送命令，实时采集多个热电偶的电压数据和热敏电阻的阻值数据；
通过上位机向温度测量系统循环发送命令帧；温度测量系统接收到数据采集命令后，按照通讯协议将电压所有数据反馈给上位机；数据通过串口成功发送到上位机，上位机对接收的电压采集值数据包进行解包；解包后的数据有热敏电阻阻值R1、热电偶电压值S1、S2、S3、S4、S5。
6.根据权利要求5所述的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定系统，其特征在于，所述步骤S3中对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数，具体包括：
使用最小二乘法进行线性拟合，公式如下：
其中，X(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的模拟信号采样值，x(i)为所取电压段或电阻段上第i个电压或电阻的数字信号采样值，并且，X(i)为电压模拟信号采样值时，x(i)为电压数字信号采样值；X(i)为电阻模拟信号采样值时，x(i)为电阻数字信号采样值；n(i)为第i对模拟、数字信号计算的线性拟合误差；K为线性拟合后一次函数的系数，B为线性拟合后一次函数的常数项；
设置极小化准则函数J：
取K、B为Jmin时的系数值；Jmin为准则函数J的最小值；
n为数据个数。
7.根据权利要求6所述的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定系统，其特征在于，所述步骤S3中对每个划分段区间采用最小二乘法进行线性拟合，获得每个划分段的校正系数，还包括：对标定结果K和B与万用表得到的基准值进行精度校验，计算出基准值X(i)和A/D转换后的数字量x(i)之间的绝对误差e1和相对误差e2，相对误差控制在精度要求以内；
绝对误差e1和相对误差e2的计算式分别为：
e1＝X(i)-x(i)
8.根据权利要求4所述的空间材料科学实验温度测量系统的数据采集标定系统，其特征在于，在所述数据注入模块中，将数据校正模块中计算得到的校正系数注入到温度测量系统，具体包括：
通过上位机选择注入的热电偶号，每M段校正系数为一组，每组校正系数组成固定数据包格式发送给温度测量系统；温度测量系统对收到的数据包依照通讯协议进行解析，根据校正系数修正采集的模拟量输入信号。
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