CN116208152A - 一种高精度模拟量采集装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种高精度模拟量采集装置及方法，以第一时间段内的第一目标测量值序列为基础数据输入到目标测量值预测模型中预测第二时间段的第二目标测量值序列，从而根据预测得到的所述第二目标测量值序列来调整标准信号源所输出的标准信号值，基于对该标准信号源的测量结果来计算校准参数对目标信号源的目标输出值进行校准，能够提高大量程模拟量的采集精度。

Description

一种高精度模拟量采集装置及方法
技术领域
本发明涉及工业技术领域，特别涉及一种高精度模拟量采集装置及方法。
背景技术
随着工业智能化技术的发展，特别是工业互联网的高速发展，数据采集特别是模拟量数据的采集从传统的前端硬件直接做转换处理逐步演变为将原始数据直接传递给后端的计算机设备进行处理。除了测量误差以外，前端传感器采集到的如温度、压力、流量等模拟量数据要转换为计算机设备能够直接处理的数据，其间涉及到多个处理环节，包括信号放大、模数转换以及标度变换等，处理过程中不可避免地会进一步引入误差使得模拟量的测量精度受到影响。针对测量及处理所引入的误差，传统的解决方案是前期通过一系列的标准值对采集装置进行校准生成校准参数，在生产实施的过程中使用校准参数对测量值进行校准。但由于各个环节引入的误差具有较大的不确定性，固定的校准参数对模拟量采集精度的提高效果并不明显。现有技术中还有将标准信号源集成到采集装置中以在生产实施中使用数据采集装置同时测量标准信号源和目标信号源，基于标准信号源的测量误差来校准目标信号源的测量值的技术方案，然而采用两个信号源异步输出和处理的方式只适用于小量程范围的校准，量程范围越大，校准效果越差；采用两个信号源同步输出和处理的方式则只适用于低采样率的应用场合，高采样率应用场景下使用同步校准方案，将会极大地增加了系统的资源开销。
发明内容
本发明正是基于上述问题，提出了一种高精度模拟量采集装置及方法，能够提高大量程模拟量的采集精度。
有鉴于此，本发明的第一方面提出了一种高精度模拟量采集装置，包括：
第一目标测量值序列获取模块，用于获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列；
第二目标测量值序列预测模块，用于将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列；
第一校准测量值区间获取模块，用于获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间；
跨区间测量值判断模块，用于判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值；
时间长度获取模块，用于在判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度；
标准信号值调整模块，用于当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值；
标准信号输出模块，用于控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号；
标准测量值测量模块，用于通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值；
标准测量值处理模块，用于通过信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值；
第一校准参数计算模块，用于根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数；
目标输出值校准模块，用于使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
本发明的第二方面提出了一种高精度模拟量采集方法，包括：
获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列；
将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列；
获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间；
判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值；
判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度；
当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值；
控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号；
通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值；
通过信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值；
根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数；
使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，在获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列的步骤之前，还包括：
获取所述信号采集单元的测量值的量程范围以及所述信号处理单元的输出值的量程范围；
将所述输出值的量程范围划分为多个输出值区间[Obk，Otk]，其中Obk为第k个输出值区间的下界，Otk为第k个输出值区间的上界，k＝(1，2，…，l)，l为所述输出值的量程范围所述输出值区间的数量；
从每个所述输出值区间[Obk，Otk]中分别确定一个输出值作为所述输出值区间的标准信号值Ssk；
根据所述输出值和所述测量值的转换函数将每个所述输出值区间[Obk，Otk]映射到所述测量值的量程范围得到对应的标准测量值区间[Mbk，Mtk]＝f′([Obk，Otk])；
存储所述标准信号值Ssk及其对应的校准测量值区间[Mbk，Mtk]的关联关系，其中Mbk为第k个标准测量值区间的下界，Mtk为第k个标准测量值区间的上界。
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，在获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间的步骤之前，还包括：
获取所述信号处理单元处理得到的与所述第一目标测量值序列对应的第一目标输出值序列；
将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列O2i，其中i＝(1，2，…，n)，n为所述第二目标输出值序列中的输出值数量；
通过所述测量值和所述输出值的转换函数将所述第二目标测量值序列映射到所述输出值的量程范围得到第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i之间的差异度ε和离散度σ；
当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度ε大于预设的第二阈值和/或所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度σ大于预设的第三阈值时，丢弃所述第二目标测量值序列以及所述第二目标输出值序列；
重新执行将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列以及将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列的步骤。
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度的步骤具体包括：
获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度
Figure BDA0004130307450000041
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度的步骤具体包括：
获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度
Figure BDA0004130307450000042
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，在计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度和离散度的步骤之后，还包括：
当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度小于预设的第二阈值，并且所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度小于预设的第三阈值时，获取所述第二目标输出值序列02i以及所述第三目标输出值序列O3i；
根据所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i中每个目标输出值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第二校准参数；
根据所述第二校准参数修正所述第一校准参数。
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值的步骤具体包括：
通过所述信号采集单元以预设的采样周期在第三时间段内对所述标准信号源的信号进行采集，所述第三时间段的时间长度大于所述采样周期且小于所述第二时间段的时间长度；
将采集到的信号进行放大、滤波以及模数转换后得到候选标准测量值序列Msi，其中j＝(1，2，…，m)，m为所述候选标准测量值序列中候选标准测量值的数量；
根据所述候选标准测量值序列计算得到所述标准测量值
Figure BDA0004130307450000051
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，通过所述信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值的步骤具体包括：
根据所述测量值和所述输出值的转换函数将标准测量值Ms映射到所述输出值的量程范围得到对应的标准输出值Os＝f(Ms)。
进一步的，在上述的高精度模拟量采集方法中，在使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准的步骤之前，还包括：
通过所述信号采集单元获取所述第二时间段内的目标测量值；
确定所述目标测量值所在的第三校准测量值区间；
计算所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离；
当所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离大于预设的第四阈值时，退回到上一个标准信号值以使用上一个标准信号值对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
本发明提出了一种高精度模拟量采集装置及方法，通过获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列，将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列，获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间，判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值，判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度，当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值，控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号，通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值，通过所述信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值，根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数，使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准，能够提高大量程模拟量的采集精度。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的一种高精度模拟量采集装置的示意框图；
图2是本发明一个实施例提供的一种高精度模拟量采集方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施方式”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
下面参照附图来描述根据本发明一些实施方式提供的一种高精度模拟量采集装置及方法。
如图1所示，本发明的第一方面提出了一种高精度模拟量采集装置，包括：
第一目标测量值序列获取模块，用于获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列；
第二目标测量值序列预测模块，用于将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列；
第一校准测量值区间获取模块，用于获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间；
跨区间测量值判断模块，用于判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值；
时间长度获取模块，用于在判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度；
标准信号值调整模块，用于当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值；
标准信号输出模块，用于控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号；
标准测量值测量模块，用于通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值；
标准测量值处理模块，用于通过信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值；
第一校准参数计算模块，用于根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数；
目标输出值校准模块，用于使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
具体的，上述的高精度模拟量采集装置包括用于采集模拟量信号的信号采集单元和用于对采集到的模拟量信号进行处理得到相应的模拟量数值的信号处理单元，示例性的，在用于采集流量数据的采集装置中，所述信号采集单元可以为用于采集流量信号的压差传感器，所述信号处理单元可以为与所述压差传感器连接的单片机电路，所述单片机电路包括信号放大电路、模数转换电路以及处理器等。所述目标信号源为待测目标如待测管道、待测电路或者待测元器件等，所述信号采信单元设置在所述目标信号源的一侧用于采集所述目标信号源的模拟量数据。所述标准信号源为设置在所述目标信号源与所述信号采集单元一侧的用于根据预设的标准信号值生成与所述目标信号源相同模拟量类型的标准信号。所述信号采集单元从所述目标信号源采集得到所述模拟量的目标测量值，从所述标准信号源采集得到所述模拟量的标准测量值，由于存在测量误差，所述标准测量值往往与所述标准信号值不一致。对于大多数待测模拟量数据，其数值一般无法通过信号采集单元如传感器等直接得到，所述信号采集单元从所述目标信号源、所述标准信号源所采集得到的所述目标测量值、所述标准测量值为所述信号源的信号反映在所述传感器上的电压值或电流值，需要将所述电压值或电流值进行处理包括信号放大、模数转换以及标度变换等才能得到所述模拟量的测量数值，即所述目标输出值和所述标准输出值。
为了提高模拟量数据的测量精度，在上述实施方式的技术方案中，以第一时间段内的第一目标测量值序列为基础数据输入到目标测量值预测模型中预测第二时间段的第二目标测量值序列，从而根据预测得到的所述第二目标测量值序列来调整标准信号源所输出的标准信号值，基于对该标准信号源的测量结果来计算校准参数对目标信号源的目标输出值进行校准。所述第一时间段为在当前时间点之前的历史时间段，所述第一目标测量值序列中的目标测量值为已经从所述目标信号源中采集得到的历史数据，所述第二时间段为还没到来的未来时段，所述第二时间段与所述第一时间段为以当前时间点为衔接点首尾衔接的连续时间段。所述第一目标测量值序列为在所述第一时间段内以预设采样率对所述目标信号源进行采样得到的若干目标测量值所构成的数据序列，所述第二目标测量值序列是通过所述目标测量值预测模型预测得到的所述第二时间段内的若干目标测量值所构成的数据序列。所述第一时间段越长，所述第二时间段越短，则所述第二目标测量值序列中的目标测量值的准确率越高。
在上述的高精度模拟量采集装置中，还包括：
量程范围获取模块，用于获取所述信号采集单元的测量值的量程范围以及所述信号处理单元的输出值的量程范围；
输出值区间划分模块，用于将所述输出值的量程范围划分为多个输出值区间[Obk，Otk]，其中Obk为第k个输出值区间的下界，Otk为第k个输出值区间的上界，k＝(1，2，…，l)，l为所述输出值的量程范围所述输出值区间的数量；
标准信号值确定模块，用于从每个所述输出值区间[Obk，Otk]中分别确定一个输出值作为所述输出值区间的标准信号值Ssk；
标准测量值区间映射模块，用于根据所述输出值和所述测量值的转换函数将每个所述输出值区间[Obk，Otk]映射到所述测量值的量程范围得到对应的标准测量值区间[Mbk，Mtk]＝f′([Obk，Otk])，其中Mbk为第k个标准测量值区间的下界，Mtk为第k个标准测量值区间的上界；
关联关系存储模块，用于存储所述标准信号值Ssk及其对应的校准测量值区间[Mbk，Mtk]的关联关系。
模拟量数据的测量精度不仅与输出值的量程范围相关，也与测量值的量程范围相关。以较小的测量值量程范围转换到较大的输出值量程范围时，其输出值的可靠性不高。相反的，将较大的测量值量程范围转换到较小的输出值量程范围时，其将会导致测量精度的损失。因此对于具有大输出值量程范围的采集装置，其相应的也会设置较大测量值量程范围的传感器。对于大量程范围的模拟量采集装置，其标准信号源的标准信号值的选择是非常困难的，在量程范围内选择的任一值作为标准信号值，其对量程范围内其它与其差值较大的输出值的校准都会有较大误差。上述实施方式的技术方案中，将所述输出值的量程范围划分为多个输出值区间，从每个所述输出值区间中分别确定一个输出值作为所述输出值区间的标准信号值，所述输出值区间的数量越多，通过所述标准信号源对所述目标信号源的输出值校准效果越好。
在上述的高精度模拟量采集装置中，还包括：
第一目标输出值序列获取模块，用于获取所述信号处理单元处理得到的与所述第一目标测量值序列对应的第一目标输出值序列；
第二目标输出值序列预测模块，用于将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列O2i，其中i＝(1，2，…，n)，n为所述第二目标输出值序列中的输出值数量；
第三目标输出值序列映射模块，用于通过所述测量值和所述输出值的转换函数将所述第二目标测量值序列映射到所述输出值的量程范围得到第三目标输出值序列O3i；
差异度和离散度计算模块，用于计算所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i之间的差异度ε和离散度σ；
预测数据丢弃模块，用于当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度ε大于预设的第二阈值和/或所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度σ大于预设的第三阈值时，丢弃所述第二目标测量值序列以及所述第二目标输出值序列；
循环执行模块，用于重新执行将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列以及将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列的步骤。
在上述的高精度模拟量采集装置中，所述差异度和离散度计算模块包括：
目标输出值序列获取子模块，用于获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
差异度计算子模块，用于计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度
Figure BDA0004130307450000091
在上述的高精度模拟量采集装置中，所述差异度和离散度计算模块包括：
目标输出值序列获取子模块，用于获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
离散度计算子模块，用于计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度
Figure BDA0004130307450000101
具体的，所述第一目标测量值序列与所述第一目标输出值序列为等长序列，所述第二目标测量值序列、所述第二目标输出值序列、所述第三目标输出值序列为等长序列。所述差异度体现的是所述第二目标测量值序列所计算得到的所述第三目标输出值序列与预测得到的所述第二目标输出值序列之间的整体差异情况。所述离散度体现的是所述第二目标测量值序列所计算得到的所述第三目标输出值序列与预测得到的所述第二目标输出值序列之间的差值序列的离散情况。所述差异度和所述离散度都体现了两个预测模型所预测得到的数据序列的可靠性。
在上述的高精度模拟量采集装置中，所述目标输出值序列获取子模块还用于当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度小于预设的第二阈值，并且所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度小于预设的第三阈值时，获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i，所述高精度模拟量采集装置还包括：
第二校准参数计算模块，用于根据所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i中每个目标输出值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第二校准参数；
第一校准参数修正模块，用于根据所述第二校准参数修正所述第一校准参数。
在上述实施方式的技术方案中，当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度小于预设的第二阈值，并且所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度小于预设的第三阈值时，可以确定所述目标测量值预测模型以及所述目标输出值预测模型的训练效果达到预期，预测得到的第二目标测量值序列以及第二目标输出值序列的准确率较高。通过使用预测数据得到的第二校准参数对所述第一校准参数进行修正，能高提高使用所述第一校准参数对所述目标信号源的输出值进行校准的效果。
在上述的高精度模拟量采集装置中，所述标准测量值测量模块具体包括：
标准信号采集子模块，用于通过所述信号采集单元以预设的采样周期在第三时间段内对所述标准信号源的信号进行采集，所述第三时间段的时间长度大于所述采样周期且小于所述第二时间段的时间长度；
标准信号处理子模块，用于将采集到的信号进行放大、滤波以及模数转换后得到候选标准测量值序列Msj，其中j＝(1,2,…,m)，m为所述候选标准测量值序列中候选标准测量值的数量；
标准测量值计算子模块，用于根据所述候选标准测量值序列计算得到所述标准测量值
Figure BDA0004130307450000111
在上述的高精度模拟量采集装置中，所述标准测量值处理模块具体包括：
标准输出值映射子模块，用于根据所述测量值和所述输出值的转换函数将标准测量值Ms映射到所述输出值的量程范围得到对应的标准输出值Os＝f(Ms)。
具体的，在上述将采集到的信号进行放大、滤波以及模数转换后得到候选标准测量值序列的步骤中，包括从采集到的信号中剔除异常数据，例如剔除明显偏离所述标准信号值的过大或过小的噪声数据。采用上述实施方式的技术方案中，在所述第三时间段内针对同一标准信号值进行多次测量得到多个标准测量值，过滤掉异常数据后对其取平均得到测量平均值，使得校准参数的计算更加准确。
在上述的高精度模拟量采集装置中，还包括：
目标测量值获取模块，用于通过所述信号采集单元获取所述第二时间段内的目标测量值；
第三校准测量值区间确定模块，用于确定所述目标测量值所在的第三校准测量值区间；
间隔距离计算模块，用于计算所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离；
标准信号值退回模块，用于当所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离大于预设的第四阈值时，退回到上一个标准信号值以使用上一个标准信号值对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
采用上述实施方式的技术方案，当实际测量值与预测值所在的测量区间间隔距离较大的情况下，使用原有的标准信号值来执行校准，避免由于模型训练结果不符合预期的情况下，使用错误的数据对目标信号源的输出值进行校准。
如图2所示，本发明的第二方面提出了一种高精度模拟量采集方法，包括：
获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列；
将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列；
获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间；
判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值；
判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度；
当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值；
控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号；
通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值；
通过信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值；
根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数；
使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
具体的，上述方法应用于高精度模拟量采集装置，所述的高精度模拟量采集装置包括用于采集模拟量信号的信号采集单元和用于对采集到的模拟量信号进行处理得到相应的模拟量数值的信号处理单元，示例性的，在用于采集流量数据的采集装置中，所述信号采集单元可以为用于采集流量信号的压差传感器，所述信号处理单元可以为与所述压差传感器连接的单片机电路，所述单片机电路包括信号放大电路、模数转换电路以及处理器等。所述目标信号源为待测目标如待测管道、待测电路或者待测元器件等，所述信号采信单元设置在所述目标信号源的一侧用于采集所述目标信号源的模拟量数据。所述标准信号源为设置在所述目标信号源与所述信号采集单元一侧的用于根据预设的标准信号值生成与所述目标信号源相同模拟量类型的标准信号。所述信号采集单元从所述目标信号源采集得到所述模拟量的目标测量值，从所述标准信号源采集得到所述模拟量的标准测量值，由于存在测量误差，所述标准测量值往往与所述标准信号值不一致。对于大多数待测模拟量数据，其数值一般无法通过信号采集单元如传感器等直接得到，所述信号采集单元从所述目标信号源、所述标准信号源所采集得到的所述目标测量值、所述标准测量值为所述信号源的信号反映在所述传感器上的电压值或电流值，需要将所述电压值或电流值进行处理包括信号放大、模数转换以及标度变换等才能得到所述模拟量的测量数值，即所述目标输出值和所述标准输出值。
为了提高模拟量数据的测量精度，在上述实施方式的技术方案中，以第一时间段内的第一目标测量值序列为基础数据输入到目标测量值预测模型中预测第二时间段的第二目标测量值序列，从而根据预测得到的所述第二目标测量值序列来调整标准信号源所输出的标准信号值，基于对该标准信号源的测量结果来计算校准参数对目标信号源的目标输出值进行校准。所述第一时间段为在当前时间点之前的历史时间段，所述第一目标测量值序列中的目标测量值为已经从所述目标信号源中采集得到的历史数据，所述第二时间段为还没到来的未来时段，所述第二时间段与所述第一时间段为以当前时间点为衔接点首尾衔接的连续时间段。所述第一目标测量值序列为在所述第一时间段内以预设采样率对所述目标信号源进行采样得到的若干目标测量值所构成的数据序列，所述第二目标测量值序列是通过所述目标测量值预测模型预测得到的所述第二时间段内的若干目标测量值所构成的数据序列。所述第一时间段越长，所述第二时间段越短，则所述第二目标测量值序列中的目标测量值的准确率越高。
在上述的高精度模拟量采集方法中，在获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列的步骤之前，还包括：
获取所述信号采集单元的测量值的量程范围以及所述信号处理单元的输出值的量程范围；
将所述输出值的量程范围划分为多个输出值区间[Obk，Otk]，其中Obk为第k个输出值区间的下界，Otk为第k个输出值区间的上界，k＝(1，2，…，l)，l为所述输出值的量程范围所述输出值区间的数量；
从每个所述输出值区间[Obk，Otk]中分别确定一个输出值作为所述输出值区间的标准信号值Ssk；
根据所述输出值和所述测量值的转换函数将每个所述输出值区间[Obk，Otk]映射到所述测量值的量程范围得到对应的标准测量值区间[Mbk，Mtk]＝f′([Obk，Otk])，其中Mbk为第k个标准测量值区间的下界，Mtk为第k个标准测量值区间的上界；
存储所述标准信号值Ssk及其对应的校准测量值区间[Mbk，Mtk]的关联关系。
模拟量数据的测量精度不仅与输出值的量程范围相关，也与测量值的量程范围相关。以较小的测量值量程范围转换到较大的输出值量程范围时，其输出值的可靠性不高。相反的，将较大的测量值量程范围转换到较小的输出值量程范围时，其将会导致测量精度的损失。因此对于具有大输出值量程范围的采集装置，其相应的也会设置较大测量值量程范围的传感器。对于大量程范围的模拟量采集装置，其标准信号源的标准信号值的选择是非常困难的，在量程范围内选择的任一值作为标准信号值，其对量程范围内其它与其差值较大的输出值的校准都会有较大误差。上述实施方式的技术方案中，将所述输出值的量程范围划分为多个输出值区间，从每个所述输出值区间中分别确定一个输出值作为所述输出值区间的标准信号值，所述输出值区间的数量越多，通过所述标准信号源对所述目标信号源的输出值校准效果越好。
在上述的高精度模拟量采集方法中，在获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间的步骤之前，还包括：
获取所述信号处理单元处理得到的与所述第一目标测量值序列对应的第一目标输出值序列；
将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列O2i，其中i＝(1，2，…，n)，n为所述第二目标输出值序列中的输出值数量；
通过所述测量值和所述输出值的转换函数将所述第二目标测量值序列映射到所述输出值的量程范围得到第三目标输出值序列O3I；
计算所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i之间的差异度ε和离散度σ；
当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度ε大于预设的第二阈值和/或所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度σ大于预设的第三阈值时，丢弃所述第二目标测量值序列以及所述第二目标输出值序列；
重新执行将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列以及将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列的步骤。
在上述的高精度模拟量采集方法中，计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度的步骤具体包括：
获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度
Figure BDA0004130307450000141
在上述的高精度模拟量采集方法中，计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度的步骤具体包括：
获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度
Figure BDA0004130307450000142
具体的，所述第一目标测量值序列与所述第一目标输出值序列为等长序列，所述第二目标测量值序列、所述第二目标输出值序列、所述第三目标输出值序列为等长序列。所述差异度体现的是所述第二目标测量值序列所计算得到的所述第三目标输出值序列与预测得到的所述第二目标输出值序列之间的整体差异情况。所述离散度体现的是所述第二目标测量值序列所计算得到的所述第三目标输出值序列与预测得到的所述第二目标输出值序列之间的差值序列的离散情况。所述差异度和所述离散度都体现了两个预测模型所预测得到的数据序列的可靠性。
在上述的高精度模拟量采集方法中，在计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度和离散度的步骤之后，还包括：
当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度小于预设的第二阈值，并且所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度小于预设的第三阈值时，获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
根据所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i中每个目标输出值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第二校准参数；
根据所述第二校准参数修正所述第一校准参数。
在上述实施方式的技术方案中，当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度小于预设的第二阈值，并且所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度小于预设的第三阈值时，可以确定所述目标测量值预测模型以及所述目标输出值预测模型的训练效果达到预期，预测得到的第二目标测量值序列以及第二目标输出值序列的准确率较高。通过使用预测数据得到的第二校准参数对所述第一校准参数进行修正，能高提高使用所述第一校准参数对所述目标信号源的输出值进行校准的效果。
在上述的高精度模拟量采集方法中，通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值的步骤具体包括：
通过所述信号采集单元以预设的采样周期在第三时间段内对所述标准信号源的信号进行采集，所述第三时间段的时间长度大于所述采样周期且小于所述第二时间段的时间长度；
将采集到的信号进行放大、滤波以及模数转换后得到候选标准测量值序列Msj，其中j＝(1，2，…，m)，m为所述候选标准测量值序列中候选标准测量值的数量；
根据所述候选标准测量值序列计算得到所述标准测量值
Figure BDA0004130307450000151
在上述的高精度模拟量采集方法中，通过所述信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值的步骤具体包括：
根据所述测量值和所述输出值的转换函数将标准测量值Ms映射到所述输出值的量程范围得到对应的标准输出值Os＝f(Ms)。
具体的，在上述将采集到的信号进行放大、滤波以及模数转换后得到候选标准测量值序列的步骤中，包括从采集到的信号中剔除异常数据，例如剔除明显偏离所述标准信号值的过大或过小的噪声数据。采用上述实施方式的技术方案中，在所述第三时间段内针对同一标准信号值进行多次测量得到多个标准测量值，过滤掉异常数据后对其取平均得到测量平均值，使得校准参数的计算更加准确。
在上述的高精度模拟量采集方法中，在使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准的步骤之前，还包括：
通过所述信号采集单元获取所述第二时间段内的目标测量值；
确定所述目标测量值所在的第三校准测量值区间；
计算所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离；
当所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离大于预设的第四阈值时，退回到上一个标准信号值以使用上一个标准信号值对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
采用上述实施方式的技术方案，当实际测量值与预测值所在的测量区间间隔距离较大的情况下，使用原有的标准信号值来执行校准，避免由于模型训练结果不符合预期的情况下，使用错误的数据对目标信号源的输出值进行校准。
本发明提出了一种高精度模拟量采集装置及方法，通过获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列，将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列，获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间，判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值，判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度，当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值，控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号，通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值，通过所述信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值，根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数，使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准，能够提高大量程模拟量的采集精度。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种高精度模拟量采集装置，其特征在于，包括：
第一目标测量值序列获取模块，用于获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列；
第二目标测量值序列预测模块，用于将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列；
第一校准测量值区间获取模块，用于获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间；
跨区间测量值判断模块，用于判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值；
时间长度获取模块，用于在判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度；
标准信号值调整模块，用于当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值；
标准信号输出模块，用于控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号；
标准测量值测量模块，用于通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值；
标准测量值处理模块，用于通过信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值；
第一校准参数计算模块，用于根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数；
目标输出值校准模块，用于使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
2.一种高精度模拟量采集方法，其特征在于，包括：
获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列；
将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列；
获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间；
判断所述第二目标测量值序列是否包含超出所述第一校准测量值区间的跨区间测量值；
判断为是时，获取所述第二时间段中包含所述跨区间测量值的连续时间片段的时间长度；
当所述第二时间段中存在时间长度大于预设的第一阈值的连续时间片段时，根据所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间调整所述标准信号值；
控制标准信号源输出对应所述标准信号值的标准信号；
通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值；
通过信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值；
根据所述标准输出值与所述标准信号值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第一校准参数；
使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
3.根据权利要求2所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，在获取信号采集单元在当前时间点之前的第一时间段内对目标信号源进行测量得到的第一目标测量值序列的步骤之前，还包括：
获取所述信号采集单元的测量值的量程范围以及所述信号处理单元的输出值的量程范围；
将所述输出值的量程范围划分为多个输出值区间[Obk,tk]，其中Obk为第k个输出值区间的下界，Otk为第k个输出值区间的上界，k＝(1,2,…,l)，l为所述输出值的量程范围所述输出值区间的数量；
从每个所述输出值区间[Obk,tk]中分别确定一个输出值作为所述输出值区间的标准信号值Ssk；
根据所述输出值和所述测量值的转换函数将每个所述输出值区间[Obk,tk]映射到所述测量值的量程范围得到对应的标准测量值区间[Mbk,tk]＝′([Obk,tk])，其中Mbk为第k个标准测量值区间的下界，Mtk为第k个标准测量值区间的上界；
存储所述标准信号值Ssk及其对应的校准测量值区间[Mbk,tk]的关联关系。
4.根据权利要求3所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，在获取当前的标准信号值及其对应的第一校准测量值区间的步骤之前，还包括：
获取所述信号处理单元处理得到的与所述第一目标测量值序列对应的第一目标输出值序列；
将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列O2i，其中i＝(1,2,…,n)，n为所述第二目标输出值序列中的输出值数量；
通过所述测量值和所述输出值的转换函数将所述第二目标测量值序列映射到所述输出值的量程范围得到第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i之间的差异度ε和离散度σ；
当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度ε大于预设的第二阈值和/或所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度σ大于预设的第三阈值时，丢弃所述第二目标测量值序列以及所述第二目标输出值序列；
重新执行将所述第一目标测量值序列输入预先训练好的目标测量值预测模型预测当前时间点之后的第二时间段内的第二目标测量值序列以及将所述第一目标输出值序列输入预先训练好的目标输出值预测模型预测与所述第二目标测量值序列对应的第二目标输出值序列的步骤。
5.根据权利要求4所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度的步骤具体包括：
获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度
Figure FDA0004130307440000031
Figure FDA0004130307440000032
6.根据权利要求4所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度的步骤具体包括：
获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度
Figure FDA0004130307440000033
7.根据权利要求4所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，在计算所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度和离散度的步骤之后，还包括：
当所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的差异度小于预设的第二阈值，并且所述第二目标输出值序列与所述第三目标输出值序列之间的离散度小于预设的第三阈值时，获取所述第二目标输出值序列O2i以及所述第三目标输出值序列O3i；
根据所述第二目标输出值序列O2i与所述第三目标输出值序列O3i中每个目标输出值之间的差值计算所述跨区间测量值所在的第二校准测量值区间的第二校准参数；
根据所述第二校准参数修正所述第一校准参数。
8.根据权利要求2所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，通过所述信号采集单元对所述标准信号源进行测量得到标准测量值的步骤具体包括：
通过所述信号采集单元以预设的采样周期在第三时间段内对所述标准信号源的信号进行采集，所述第三时间段的时间长度大于所述采样周期且小于所述第二时间段的时间长度；
将采集到的信号进行放大、滤波以及模数转换后得到候选标准测量值序列Msj，其中j＝(1,2,…,m)，m为所述候选标准测量值序列中候选标准测量值的数量；
根据所述候选标准测量值序列计算得到所述标准测量值
Figure FDA0004130307440000041
9.根据权利要求8所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，通过所述信号处理单元对所述标准测量值进行处理得到标准输出值的步骤具体包括：
根据所述测量值和所述输出值的转换函数将标准测量值Ms映射到所述输出值的量程范围得到对应的标准输出值Os＝f(Ms)。
10.根据权利要求2所述的高精度模拟量采集方法，其特征在于，在使用所述第一校准参数对所述目标信号源的目标输出值进行校准的步骤之前，还包括：
通过所述信号采集单元获取所述第二时间段内的目标测量值；
确定所述目标测量值所在的第三校准测量值区间；
计算所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离；
当所述第二校准测量值区间与所述第三校准测量值区间之间的间隔距离大于预设的第四阈值时，退回到上一个标准信号值以使用上一个标准信号值对所述目标信号源的目标输出值进行校准。
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