传感器校准

传感器校准（精选六篇）

传感器校准 篇1

光学传感器, 是目前智能手机的标配, 它能够通过测试外部光强来调节手机自身的亮度, 使用户有一个好的视觉环境, 同时也能增强手机电池的使用时间。但是, 由于触摸屏的透光率一致性问题, 可能会导致光学传感器采集的数据不一致, 造成两台同样的手机放在同一个环境下, 其LCD的亮度可能不同。

1 光学传感器在实验室的测试方案

手机光学传感器的采样值和光强之间的关系用一元函数来表示:

公式 (1) 中:Y——采样光强值;

X——光强;

a, b——调整补偿值。

现有光学传感器的调整补偿值一般都是在实验室利用小规模 (比如100台) 的统计样本来确定, 然后将得到的补偿值作为默认参数写入手机软件中, 最后将软件下载到生产线上的每一台手机里面。

由于手机本身设计的因素 (例如触摸屏透光率) 和生产线上的干扰 (例如日光灯、工人的影子) , 默认的补偿参数a, b并非对每一台手机都是完全有效的。

将写入默认参数的20台手机拿到实验室, 选取三种光强, 得到了每台手机光学传感器读取的数据, 详细数据如图1所示。

从图1中可以看出, 20台手机的测试值非常分散。

2 光学传感器的在线校准测试方案

我们可以在手机生产线上, 人为地创造一个固定光强的环境, 然后对每一台手机的光学传感器做在线校准, 并将校准后的补偿值分别写入每一台手机。该设计采用的校准方法是将光学传感器补偿值的设定放到常规的生产测试中去, 以涵盖每一台出厂的手机, 从而最大化地确保同款手机之间光学传感器的一致性。

2.1 在线校准的条件

2.1.1 封闭的环境

为了让光学传感器的校准更加精准, 我们需要在生产线上设置一个封闭的环境。在这个环境中, 要排除生产线上其他的人为干扰, 例如工厂照明设备、工人的影子等。可以在夹具上设计出一个屏蔽盖, 当盖子放下的时候, 能够将手机上的光学传感器覆盖在内部, 从而形成一个小型的封闭环境。

2.1.2 固定的光源

为了对光学传感器的校准, 还必须选取稳定的光源。在点光源和面光源中, 为了保证整个封闭环境光强的一致性, 需要选取面光源来对光学传感器进行校准。

2.1.3 漫反射条件

为了保证光源的一致性, 我们需要使用毛玻璃来保证漫反射。将一块LCD屏和一块毛玻璃叠加在一起, 然后将其放置在屏蔽盖内部, 从而为光学传感器提供标准的面光源。

2.2 在线校准及其测试流程

在线光学校准系统如图2所示。

从图2中可以看到, 在线光学校准系统主要由以下几个部分组成: (1) 电源和型号。keithley2306, 双通道输出, 可编程电源, 提供手机供电和LCD面光源供电。 (2) PC安装测试程序。可控制电源输入和手机参数的读写。 (3) 夹具。用于固定手机, 并为光学校准提供一个封闭的环境。

LCD工作的电压为3.5~5.5 V。对于不同的电压, 光强是不同的。将一部去掉触摸屏后的手机作为标准机, 从理论上来说, 这部手机测得的光强是光学传感器读取的真实值, 例如:3.5 V——3 000 candela (光强的单位) , 4.5 V——4 000 candela, 5.5 V——5 000 candela。

将标准机测得的数据输入测试程序, 然后把生产线上待测的手机放在夹具上, 开始真正的校准测试流程。具体流程为: (1) 程序设置LCD的电压为3.5 V, 对应光强为X1.发送指令给手机, 要求读取采样值Y1, Y1=a X1+b. (2) 程序设置LCD电压为5.5 V, 对应光强为X2.发送指令给手机, 要求读取采样值Y2, Y2=a X2+b. (3) 通过两组一元函数, 程序算出该台手机的a, b值, 然后写入手机中。 (4) 程序设置LCD的电压为4.5 V, 对应光强为X3.发送指令给手机, 要求读取采样值Y3, Y3=a X3+b. (5) 根据程序判断得到的Y3值是否符合光强的要求, 例如3995 candela

3校准后的手机光强

选取生产线上做过光学传感器校准后的20台手机, 在实验室同样的光源条件下, 读取手机的光强, 详细数据如图3所示。从图3中可以看出, 20台手机之间测试值的差别变小了。

4 结束语

上文阐述了手机光学传感器的原理和在实际生产过程中可能碰到的问题, 并证明了在线校准这一方式能够有效地消除因手机物料原因和产线中的因素带来的影响, 提高手机光学传感器的一致性。

参考文献

多通道压力传感器自动校准系统研制 篇2

关键词：多通道,压力传感器,校准

1、引言

压力传感器广泛应用工业制造、自动化控制、航空航天、实验测试、军事等领域。为了保证压力传感器能准确反应检测对象的真实状况, 对传感器进行定期校准和抽样检验具有重要意义。

压力传感器的检定是一个比较复杂的过程。压力传感器的传统校准方式是通过手动完成, 工作效率低, 而且由于校准过程操作环节多而繁琐, 容易引入人为误差, 对压力传感器性能参数确定带来较多的不确定性。建立一套多通道压力传感器自动校准系统, 能高质量、快速完成多个压力传感器的校准, 还可避免传统校准方存在的人为失误带来的弊端, 对提高工作效率, 减轻劳动强度和提高校准精度有重要意义。我们采用计算机终端通讯技术成功研制出了一种多通道的压力传感器自动校准系统。

2、系统结构

多通道压力传感器自动校准系统的主要工作原理流程是通过终端通讯连接技术, 采用计算机给高精度压力控制器、多通道数据采集器发布控制指令, 使压力传感器获得由高精度压力控制器产生的标准压力并输出相应信号, 由数据采集器采集传感器输出信号并返回计算机完成数据分析处理的循环过程, 最后自动生成传感器校准证书、文档的校准系统, 系统结构主要包括硬件系统和软件系统两部分。硬件部分是在RUSKA7215i的基础上通过相应的扩展, 构建了基于网络终端通讯技术的硬件平台, 软件系统利用微软公司的开发软件visual studio 6.0开发了设备控制和数据处理软件。

2.1 硬件结构

根据现有的实验室校准测试条件和实际检测设备, 多通道压力传感器自动校准系统的硬件结构主要包括电子计算机、高精度压力控制器、数据采集系统、打印机、真空泵、高压氮气源等硬件设备组件, 通过计算机的RS232接口组网连接。压力传感器自动校准的基本硬件系统拓扑结构图如图1所示。

2.2 软件系统

多路压力传感器自动校准系统的软件系统是对硬件系统各组件的有效整合, 是整个系统稳定、有效工作的核心组成部分之一, 是各部件控制和数据通讯的逻辑纽带。软件系统将高精度压力控制器、数据采集系统、打印机有机地结合在一起, 实现循环加载、自动判稳、数据采集等一系列自动化过程, 同时还设计了压力传感器校准数据库管理功能, 可以对传感器信息、校准证书、校准数据等资料进行更有效的管理和检索。系统软件包括传感器校准、数据计算处理、数据库管理和系统维护四大核心模块, 结构如图2所示。

3、关键技术

压力传感器校准模块是多通道压力传感器校准系统的最基本模块, 其实现自动加载校准功能是系统最根本的功能, 自动校准程序流程如图3。系统可根据需要对压力传感器的校准环境、校准参数、工作载荷、预警提示等进行设置。系统管理控制由软件系统协调, 主要包括登录管理模块, 校准参数设置模块, 环境参数设置模块, 数据采集分析模块, 曲线显示模块, 报警提示模块和证书生成模块等部分。模块之间除必要的输入输出接口用于模块之间的通讯外, 进行封装, 保证各模块相对独立性, 这能有效确保系统的稳定性、良好的维护性和移植性。为了实现传感器多通道自动校准系统的各个功能模块功能, 系统采用了以下关键技术。

3.1 系统防锁死释放功能

在自动校准过程中, 为避免程序在校准时长时间没有响应, 或在压力稳定等待时间超过设置时间限和其他异常情况下, 通过设置系统控制权限等级, 采用Do Events语句来释放系统控制权, 确保自动校准过程中系统流畅运行和计算机系统的稳定。同时, 系统采用自动/手动两种校准模式, 保证在自动校准失效情况下可采用手动方式进行, 确保校准工作的连续性。

3.2 施加载荷自判稳功能

作为自动校准系统, 必须具有对所加载荷进行自判稳识别功能。对传感器施加的标准压力后, 读取高精度压力控制器的状态寄存器, 并辅以一定的延时, 循环判稳3次以上, 比较状态寄存器数值差值是否小于设定判稳标准, 从而确保自动校准过程中采集到的是处于稳定状态的标准压力。

3.3 数据判稳功能

在自动校准过程中, 为了获得有效、稳定的测试数据, 除对传感器承载载荷进行判定外, 对传感器相应输出信号的判读具有重要意义, 通常采用软件延时处理。为了更好确保数据有效、稳定性, 在系统研制过程, 系统既采用了相应的软件延时技术, 同时对数据采集器触发进行硬件设置, 提升稳定延时时间, 使每个触发信号周期能连续采样10以上有效数据, 还进一步提高了信号采样速度。这可以保证在一个有效采样周期内取得更多的数据进行对比, 提高了数据判稳的可操控性。

3.4 传感器标定结果数据规范化

在软件系统中, 建立统一校准证书、校准数据的模板文档, 对传感器规范化管理意义重大。为此, 在软件系统研制过程中使用OLE嵌入技术, 采用统一格式的证书模板。在压力传感器校准初期, 设置好相应参数, 在校准完毕后即可生成完备的压力传感器证书。同时, 为有效保存每只传感器校准流程的数据, 减少了人为因素带来的失误, 加入了数据库管理系统, 可方便实现对传感器数据的有效溯源和必要时的对比检索。

3.5 传感器输出波动有效控制

理论上讲, 在经过上述关键技术处理后, 压力传感器自动校准系统可以投入实际运行, 但是在系统整体调试阶段发现在加载压力稳定时, 传感器输出信号经常会出现的微小波动, 这种输出波动特性呈现一定规律性, 且在模拟输出的压力传感器上尤为明显。经过反复比较分析发现, 主要原因是压力传感器的压力输入存在一定的波动, 波动源主要是由高精度压力控制器RUSKA7215i内部压力输出阀门的频繁切换所致。对RUSKA压力输出阀门的响应特性进行研究发现, 输出阀相应是在其固有的频率作微小的波动, 在对压力传感器的输出进行软件滤波处理, 消除标定系统硬件带来的波动误差。

4、压力传感器数据及误差处理

多通道压力传感器系统使用的数据分析和误差处理方法严格遵循压力传感器性能测试国标标准GB/T15478-1995压力传感器性能试验方法、中国计量科学院1994制定的压力传感器静态校准规程 (JJG8 60-94) 相关规定进行。

4.1 数据处理

线性传感器工作特性方程一般形式为Y=a+b X, 数据拟合方程有端基直线法, 零基直线法, 平移端基直线法和采用最小二乘直线法等数据拟合方法。多通道压力传感器自动校准系统数据处理采用最小二乘直线拟合法, 对传感器的整个测量范围内, 设置m个校准点进行n次循环压力校准试验, 在每一个校准几点上分别有n个正行程校准数据和n个反行程校准数据, 具体公式如下。

YUij——正行程第i次校准点第j次的示值。 (i=1, 2, 3, …, m;j=1, 2, 3, …, n)

YDij——反行程第i个校准点第j次的示值。

最小二乘法拟合直线系数:

Xi第i个标定点的压力值 (i=1, 2, 3, …, m) , Yi第i个标定点的正反行程的总平均值, m为校准设置点数。

4.2误差处理

压力传感器误差处理涉及重复性分析和精确度计算。

4.2.1重复性

采用贝塞尔公式分别计算每个校验点上正反行程的子样标准偏差:

正行程采样点标准偏差SUi为

反行程采样点标准偏差SDi为:

全测量行程的采样点标准偏差S

n——重复次数;m——校准点个数;λ——包含因子, 按t分布, 取置信概率等于95%;YF.S为压力传感器满量程输出值。

4.2.2精确度

压力传感器的精确度是系统误差与随机误差的综合反映, 取决于系统误差带U1与随机误差带U2的大小。

线性传感器的系统误差带U1, 采用最小二乘直线法。

正行程的系统误差为:

反行程的系统误差为:

Y为最小二乘直线方程值, U1取中的大者。

传感器的随机误差带U2=±3S。

传感器的精确度ξ为:

5、应用情况

多通道压力传感器自动校准系统研制完成后, 采用多种压力传感器进行了校准测试, 结果表明多通道压力传感器自动校准系统实现和达到了下列功能和指标 (如表1) , 系统运行截面如图4。

下面是对昆山双桥传感器有限公司生产的PDCR系列某绝压传感器在多通道压力传感器自动校准系统上进行的校核对比分析结果。表2是系统判稳后进行的9次采集数据, 从数据结果可以看出自动判稳压力后的数据波动值在系统误差的许可范围内, 说明自动校准系统的判稳是可靠的。

由于压力传感器本身系数的年飘移量相对较大和测试环境差异影响, 对不同期的压力传感器校准后的性能对比性分析意义不大, 但通过对同期传感器多次校准结果进行对比分析对校准系统性能评价具有重要参照意义。表3是自动校准系统对该压力传感器进行同期多次校准后的系数对比情况, 数据结果表明同期传感器校准的系数误差在0.03%以内, 校准系数的差值引起的压力计算误差在10Pa以内, 压力传感器系数的校准精度十分理想。图5为同时进行5只传感器校准的界面图。

6、结论

多通道压力传感器自动校准系统以计算机为核心控制单元, 利用计算机终端通讯技术, 将高精度压力控制器、数据采集系统、压力传感器有机整合, 完成压力传感器的循环加载、传感器数据采集、静态校准数据计算、误差分析、自动生成证书文件和校准数据溯源文档库等功能, 校准过程实现了全自动化。系统研制成功以来, 已对百台压力传感器的完成校准工作, 并成功应用到多种领域, 取得了良好的效益。

相对传统的单步手动校准方式, 多路压力传感器自动校准系统有效提高了校准效率和质量, 最大限度减少人为因素造成的失误, 提升了压力传感器的整体校准和检定能力, 实际应用表明系统完全能满足多种压力传感器校准的需要。同时, 该系统具有良好的可拓展性, 通过必要的硬件扩展和软件二次开发, 可对压力实现传感器的动态测试和远程控制。

参考文献

[1]GB/T15478-1995, 中国国家标准, 压力传感器性能试验方法[S], 1995

[2]JJG860-94, 中国计量科学院, 压力传感器静态校准规程[S], 1994

[3]Q/GSS312-2005, 中国空气动力研究与发展中心高速所, 风洞压力传感器静态校准规范[S], 2004

[4]RUAKA7215i用户手册

传感器校准 篇3

在基于矢量传感器被动测向原理的水下目标定位技术中, 提高矢量传感器的测向精度是保证定位精度的关键, 在文献[1]中详细介绍了测向误差补偿修正的各种技术措施。数字罗经用于矢量传感器侧向误差校准, 主要是采用高精度的数字罗经与矢量传感器同轴一体化封装技术, 将矢量传感器测得的目标相对方位依据数字罗经的数据折算为真北方位, 利用动态校准测试获得的数据对矢量测向误差进行补偿修正, 给出水下目标的真方位, 从而提高系统的测向精度。本文主要探讨了采用高精度的数字罗经来实现对矢量传感器测向误差进行修正的软硬件设计以及误差修正方法。

2. 数字罗经在矢量传感器测向系统的软硬件设计

在某水声测量浮标系统中, 采用数字罗经与矢量传感器封装一体, 将矢量传感器测得的目标方位转换为真北方位 (大地坐标中的方位) , 用于测向误差修正, 从而提高了矢量传感器的测向精度, 满足水下目标高精度方位估计需要;同时罗经数据还可作为测向浮标姿态监控信息。

系统选用美国Honeywell公司生产的HMR3000数字罗经, 采用MSP430系列单片机完成对数字罗经的输出信号进行管理, 把数字罗经的信号通过RS232串口读入单片机;并对辅舱电源电压进行实时监控;将罗经信息通过单片机的异步串口以RS-232方式上传给通信管理板 (嵌入式控制单元) ;通信管理板将数字罗经的航向信息、姿态信息以及深度信息、浮标GPS定位信息与矢量信号处理单元的数据, 通过以太网控制器和无线通信模块实现与基站通信, 上传数据和结果, 下达指令。系统中数字罗经结构单元结构如图所示。

2.1 硬件设计

2.1.1 数字罗经

HMR3000数字罗经是一款集航向、俯仰和横滚三个旋转量测量于一体的磁敏传感器, 它具有精度高、体积小、功耗低等特点, 可方便地集成在一体化小型系统中。HMR3000数字罗经能集三个轴向的转动角度测量功能于一体, 由三轴磁阻传感器和一个充有液体的两轴倾斜传感器组成, 可以得到进行倾斜补偿后的航向数据和姿态数据。该产品测量方位精度达0.5°, 方位分辨率为0.1°;姿态精度达±0.4°, 姿态测量分辨率为0.1°;最大姿态测量范围±40°;工作温度-20℃到+70℃;供电电压为6-15V。HMR3000数字罗经的硬件构成包括4部分:三轴磁阻传感器、放大器、A/D转换器和微处理器, 及双轴倾斜传感器 (如图2所示) 。

HMR3000通信遵循NMEA (National Marine Electric Association.国家海军电子协会) 0183标准, 可使用RS-232或RS-485接口。其数据ASCII码字符为10位 (1位起始位、8位数据位、1位停止位, 无奇偶校验位) , 传输波特率1200、2400、4800、9600、19200bit/s可选, 更新模式在连续选通的状态下, 更新率为20Hz[2]。

2.1.2 数字采集单片机及接口转换

MSP430是TI公司近几年推出的16位系列单片机, 采用了最新低功耗技术。MSP430F169工作在1.8~3.6 V电压下, 有正常工作模式 (AM) 和4种低功耗工作模式 (LPM1、LPM2、LPM3、LPM4) , 并可在各种工作模式之间切换。此外, MSP430F169单片机集成了多通道12 bit的A/D转换、片内精密比较器、多个具有PWM功能的定时器、斜边A/D转换、片内US-ART、看门狗定时器、片内数控振荡器 (DCO) 、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器, 可以满足绝大多数的应用需要[3]。

MSP430F169的主要特性是:

●工作电压:1.8V-3.6V。

●超低功耗:活动模式:280μA, at 1MHz, 2.2V, 待机模式:1.6μA。

●16位RISC结构, 125ns指令周期。

●12位ADC采样带保持。

●串行通讯USART0、USART1接口。

●60KB+256B flash存储器2KB RAM。MSP430F169单片机输出是TTL信号。方位姿态仪传送的是RS232接口信号。RS232接口的电气特性是任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即:逻辑"1":-5~-15V;逻辑"0":+5~+15V。噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑"0", 高到-3V的信号作为逻辑"1"。可以看出RS232接口电压和TTL接口电压不匹配, 不能直接连接, 需一个接口转化电路。本系统选用转换芯片是SP3232E, 把TTL信号转变成RS232信号再传送。TTL和RS232转换芯片SP3232E内有一个高效的电荷泵, 工作电压为3.3V时只需0.1μF电容就可进行操作。电荷泵允许SP3232E在+3.3V到+5.0V内的电压范围内发送符合RS-232的信号。SP3232E是一个2驱动器/2接收器的器件。它包含一种低功耗关断模式, 该模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止。关断状态下, 电源电流低于1μA。图3是SP3232E典型应用电路和管脚图。图4是系统硬件电路

2.1.3 其它单元

通信管理上位机由一片ARM S3C2440A作为中心控制单元, 系统选用三星公司的S3C2440A, 它是ARM920T系列CPU, 采用0.18μm工艺的CMOS设计, 主频最高可达266MHz, 特别适用于低功耗场合。主要负责通信板的控制和数据传输 (包括:矢量传感器数据、罗经信息、深度信息、GPS数据等) 。考虑到开发周期和可靠性等因素, 选用核心开发板Nano2440。其自带32MB SDRAM和64MB FLASH作为程序和数据存储器;共有三个UART接口, 一个通过232转换芯片MAX3221转为RS232标准与单片机相连, 用于传输数字罗经和深度传感器的数据。由于S3C2440A片上不带以太网控制器, 为了进行网络通信, 必须外接以太网控制芯片。设计中采用CS8900A作为以太网控制器。CS8900A主要为嵌入式应用系统、便携式产品和某些适配卡等提供一种切实可行的以太网解决方案。2440A通过总线与CS8900A相连, 拓展一个10M的以太网接口与无线通信模块连接, 完成浮标数据与基站的通信。

2.2软件流程

2.2.1 HMR3000的指令格式

HMR3000的串行通信是遵循NMEA0183标准制定的简单、异步的ASCII协议, 其发出或接收的每一条指令包含一个两字符'hh'作为结尾, 以保证发送数据的准确性;其输出指令有六种格式 (标准输出格式为HDG、HDT、XDR, 专用输出格式为HPR、RCD、CCD三种格式) , 在矢量传感器被动测向浮标中, 数字罗经输出量为用于测向误差修正的航向数据, 以及用于浮标姿态测量的俯仰数据、横滚数据这三个测量值, 因此, 输出指令格式选用HPR格式。系统所采用的控制指令及输出指令为表1所示:

2.2.2系统程序流程

系统软件设计包括两方面, 一是单片机对HMR3000串口数据的接收、整理、及存储在单片机内部RAM中[4], 另一是上位机对单片机的串口数据的读取、与其它信息整合处理并发送, 图4和图5为相关程序流程。

2.3罗经数据相对地理真北坐标的转换

为了将数字罗经的航向数据 (即磁航向) 转换为真北航向, 需要将罗经正向与地理北的夹角值, 按照一定的转换规则转换为真北航向。在系统设计中, 安装时保证罗经正向与矢量水听器指向一致, 如果安装上存在偏向角, 则还需在转换时叠加偏向角。其坐标转换规则为:

按上图所示, 假定磁北在地理北以西 (也可能在地理北以东) 。同时假定磁偏角为, 罗经正向与磁北夹角为 (角度以磁北顺时针命名, 即磁航向) , 获取的罗经正向与地理正北夹角为 (相对地理北顺时针命名, 即真北航向) 。根据每个地区值的不同, 磁北偏在地理北以西时, 为正值, 磁北偏在地理北以东时, 为负值。设计时按照使用海区地理位置 (我国除乌鲁木齐、南沙群岛、曾母暗沙群岛磁偏角位于磁北偏东以外, 其他地区均处于磁北偏西) , 始终取为正, 则存在以下判据:

当φ<ζ当时, 即罗盘正向处于磁北与地北之间时,

当φ≥ζ时, 即罗盘正向处于磁北与地理北之外时,

3.测向误差修正方法及结果

系统进行测向误差校准时, 目标船载声源低速绕测量浮标以较大半径 (≥1.5km) 逆时针航行一周, 目标声源处刚性连接DGPS数据做为目标真实方位坐标, 数据处理基站对矢量测向数据、罗经航向数据以及目标的GPS数据结果进行处理分析, 给出测量浮标矢量测向误差角度补偿值。图6为系统校准时所获矢量传感器测向工程误差修正补偿图, 利用该图对矢量传感器的Vx, Vy通道的指向性进行误差修正补偿, 图7为补偿前后的指向性对比图, 指向性有较为明显改善。

结论

本文讨论了采用数字罗经与矢量传感器封装一体集成方式, 解决了矢量传感器被动测向误差校准问题。将矢量传感器测得的目标方位经过补偿修正后, 系统测向精度得到提高, 整个系统具有精度高, 功耗低, 结构简单, 性能稳定的特点, 满足水声测控装备小型化需要, 在水下目标探测、预警等领域具有较好应用前景。

摘要：将数字罗经与矢量水听器同轴封装, 采用MSP430F149单片机作为下位机实现与数字罗经的串口通信, 将数字罗经航向数据和矢量传感器方位估计数据交联处理, 成功地解决了系统测向误差修正问题。矢量传感器测得的目标方位经过误差修正后, 系统测向精度得到提高。

关键词：数字罗经,矢量水听器,测向误差修正

参考文献

[1]王燕.非合作目标精确定位技术[D].哈尔滨工程大学博士论文, 2006

[2]HMR3000Digital Compass Module User's Guide, Rev.B2001.03

[3]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出版社, 2005.

传感器校准 篇4

设计出补偿精度高、计算量少的圆锥补偿算法一直是人们不断追求得目标。Miller提出了在圆锥运动条件下优化的三子样算法[5],Jang G.Lee等提出了四子样算法[6],这两种算法没有利用前一个圆锥补偿周期的角速率敏感器输出信号,而且计算量较大。Yeon Fuh Jiang等提出了利用前一补偿周期的一类算法,包含了圆锥补偿周期内角速率敏感器输出信号的所有可能的叉乘项,并利用前一补偿周期的角速率敏感器输出累加角增量[7,8,9]。Musoff提出了圆锥算法的优化指标,分析了圆锥补偿后的算法误差与补偿周期的幂次r的关系[8]。本文提出的算法利用在经典圆锥运动下,相同时间间隔的角增量向量的叉乘对圆锥误差的贡献相等的特点,推导出一类计算量较少的圆锥补偿算法。同时利用前一圆锥补偿周期的角速率敏感器输出信号,提高了补偿精度,缩短了运算时间。

1 补偿算法

载体转动向量的微分方程为[3]

(1)

式中,Φ是转动向量;ω是机体角速率向量。方程右边第2项与第3项之和是非互易误差。对于小Φ,为简化计算,忽略右边第3项,并用式(2)代替第2项中的Φ。

α=∫ωdt (2)

这样,式(1)可简化为

$\mathit{\Phi }=\mathit{\omega }+\frac{1}{2}\mathit{\alpha }\times \mathit{\omega }$ (3)

$\mathit{\Phi }={\displaystyle \int \mathit{\omega }}\text{d}t+\frac{1}{2}{\displaystyle \int \mathit{\alpha }}\times \mathit{\omega }\text{d}t=\mathit{\alpha }+\mathit{\beta }$ (4)

式中,

$\mathit{\beta }=\frac{1}{2}{\displaystyle \int \mathit{\alpha }}\times \mathit{\omega }\text{d}t$ (5)

β就是需要进行补偿的非互易向量τ。随着圆锥补偿周期内的采样次数不同,β可以有多种方式进行计算。

对于经典圆锥运动,它的转动向量为[7,8,9]

(6)

式中,Ω是圆锥运动角频率;a是圆锥运动的幅度。采用上标B表示机体坐标系,得到

(7)

假设在t～t+h间隔内,对角速率敏感器输出信号进行N次采样,θi表示第i次采样的角速率敏感器输出的角增量信号。

$\theta ={\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}\theta }{}_i$ (8)

其中,

$\begin{array}{l}\theta {}_i={\displaystyle {\int }_{i+((i-1)/{\rm N})h}^{i+(1/{\rm N})h}[}\omega (\mathit{\tau })]{}^8\text{d}\mathit{\tau }=\\ \left[\begin{array}{c}-\frac{2}{{\rm N}}(\Omega h)\sin {}^2\left(\frac{a}{2}\right)\\ -2\text{s}\text{i}\text{n}a\text{s}\text{i}\text{n}\left(\frac{\Omega h}{2{\rm N}}\right)\sin \left[\Omega \left(t+\frac{2i-1}{2{\rm N}}h\right)\right]\\ 2\text{s}\text{i}\text{n}a\text{s}\text{i}\text{n}\left(\frac{\Omega h}{2{\rm N}}\right)\cos \left[\Omega \left(t+\frac{2i-1}{2{\rm N}}h\right)\right]\end{array}\right](9)\end{array}$

则在t～t+h间隔内,转动向量的估计值的计算公式为

$\mathit{\Phi }=\theta +{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}-1}{\displaystyle \sum _{j＞i}^{{\rm N}-1}{\rm K}}}{}_{ij}(\theta {}_i\times \theta {}_j)$ (10)

根据式(4),圆锥补偿可计算如下

$\mathit{\beta }={\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}-1}{\displaystyle \sum _{j=i+1}^{{\rm N}-1}{\rm K}}}{}_{ij}(\theta {}_i\times \theta {}_j)$ (11)

右边共有N(N-1)/2项。由式(9),得

(12)

由式(12)可以看出,在θi×θj中,x分量只与相对时间(i-j)h有关,而与绝对时间无关,y和z分量是绝对时间t的余弦函数。在圆锥运动下,能引起漂移的误差出现在x轴上。因此,具有相同时间间隔的两个角增量向量的叉乘对圆锥误差的贡献相等,而可以不考虑其与绝对时间的关系。利用这个性质,可以将圆锥误差补偿公式简化为[7]

$\mathit{\beta }=[{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}-1}b}{}_i\theta {}_i]\times \theta {}_{{\rm N}}$ (13)

比较式(13)和式(11)可以看出,简化后的算法,计算量大大减小。简化带来的缺陷是在一般机动条件下,圆锥误差补偿算法的误差会增大。但即使在非常大的机动条件下,算法误差也可以忽略,而且这种误差只是在机动期间产生。因此,对圆锥补偿算法的简化是合理的。

如果考虑到可以利用前一圆锥补偿周期的角增量输出,则可以得到以下算式

$\mathit{\beta }=[{\displaystyle \sum _{i=1}^{p}a}{}_i\theta {}_{{\rm N}-i+1}+{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}-1}b}{}_i\theta {}_i]\times \theta {}_{{\rm N}}$ (14)

ai,bi是加权系数;p是要利用前一圆锥补偿周期的角增量的个数;θ′N-i+1是前一圆锥补偿周期的角速率敏感器输出信号采样,即角增量。式(14)与式(9)相比,计算简化了,而且不是利用前一周期输出信号采样的累加值。也可以参照式(9),得到利用前一圆锥补偿周期累加值的圆锥补偿公式

$\mathit{\beta }={\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}-1}b}{}_i\theta {}_i\times \theta {}_{{\rm N}}+G{\theta }^{\prime }\times \theta$ (15)

式中,θ′是前一圆锥补偿周期的累加值。对应采样为2～5等情况,可得到简化算法式,如(14)和式(15)的各种形式。

2 算法应用情况

为验证算法的有效性,把上述算法转化成动态倾斜校准传感器内的计算机程序,把动态倾斜校准传感器放在双轴摇摆台上对比输出曲线。图1中虚线是摇摆台输出曲线,实线是倾斜校准传感器输出曲线,可见在摆频2.5 Hz条件下,倾斜校准传感器输出的跟踪曲线已经比较完美,但仍有少量数据出现较大误差,这是因为摇摆台由曲柄连杆驱动,在其转动拐点处曲线可看到分明的棱角,在该处角速度和角加速度发生反向突变,高频分量丰富,远超出倾斜校准传感器的带宽范围。即便在苛刻的工作环境下,倾斜校准传感器输出的跟踪曲线仍能准确地描述转台曲线的棱角形状。

3 结束语

选定的载体圆锥运动条件下的应用结果表明:(1)这类算法比相同精度其他算法的计算量可减少1/3。(2)所有算法的精度都随着对敏感器输出信号的采样频率提高而提高。(3)文中提出的采样算法漂移小,表明在对敏感器输出信号采样频率一定时,一个圆锥补偿周期内的采样数不是越多越好。(4)圆锥补偿周期的采样数≥4时,利用前一补偿周期的采样,对增加精度效果不明显。圆锥补偿周期的采样数<4时,分别利用前一圆锥补偿周期敏感器输出信号的各次采样,而不是利用前一补偿周期各次采样输出的累加量,补偿精度将更高。(5)圆锥补偿周期的采样数<4时,在圆锥补偿算法中,利用前一圆锥补偿周期对敏感器输出信号,相当于提高了对敏感器输出信号的采样频率。(6)使用内置DSP计算机,处理速度快,实时性好。

摘要：姿态角补偿的优化算法在动态倾斜校准传感器的输出运算模型中有着重要作用,算法的优劣直接关系到测量精度和输出的实时特性。文中利用在圆锥运动条件下,具有相同时间间隔的两个角增量的叉乘,对圆锥补偿的贡献相等的特点,设计了一种捷联系统姿态算法,在圆锥补偿获得相同精度的情况下,此算法的计算量较少。同时,利用此特点,推导出利用前一圆锥补偿周期的角增量进行圆锥补偿的算法,缩短了运算时间、提高了补偿精度。

关键词：倾斜角敏感器,角速率敏感器,姿态角,圆锥补偿算法

参考文献

[1]陈哲.捷联惯性导航系统原理[M].北京:宇航出版社,1986.

[2]BORTZ J E.A new mathematical formulation for strapdowninertial navigation[J].IEEE Transacfions on Aerospace andElectronic Systems,1971,7(1):61-66.

[3]IGNAGNI M B.On the orientation vector differential equationin strapdown inertial systems[J].IEEE Transactions on Aer-ospace and Electronic Systerms,1994,30(4):1076-1081.

[4]SAVAGE P G.Strapdown inertial navigation integration algo-rithm design,Part l:Attitude algorithm[J].Journal of Guid-ance,Control,and Dynamics,1998,21(1):19-28.

[5]MILLE R B.A new strapdown attitude algorithm[J].Journalof Guidance,Control,and Dynamics,1983,6(4):287-291.

[6]LEE J G,YOON Y J,MARK J G.Extension of strapdown atti-tude algorithm for highfrequency base motion[J].Journal ofGuidance,Control,and Dynamics,1990,13(4):738-743.

[7]JIANG Y F,LIN Y P.Improved strapdown coning algorithm[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Sys-tems,1992,28(2):484-490.

[8]MUSOFF H,MURPHY J H.Study of strapdown navigationattitude algorithms[J].Journal of Guidance,Control,andDynamics,1995,18(2):287-290.

传感器校准 篇5

在国民生活中气象科学起着非常重要的作用, 而在气象工作中, 气象仪器的检定校准是整个气象工作的基础, 要想完美的完成气象探测和科学研究, 需要可靠的量值传递的保证。在一定的条件下获得在被测量量在测量时刻的量值是各种气象仪器的基本作用, 所以说想要获得精准的量值, 那么就必须要确保选择的仪器测量值非常的精准。

2 HMP45D温湿度传感器的结构及原理

2.1 HMP45D温湿度传感器的结构

在百叶箱内安装有HMP45D温湿度传感器, 地面和传感器的中心点相距1.50m。HMP45D温湿度传感器是结合了铂电阻温度传感器与湿敏电阻湿度传感器, 铂电阻温度传感器负责测量温度, 湿敏电阻湿度传感器负责测量湿度。

2.2 HMP45D温湿度传感器的工作原理

(1) 铂电阻温度传感器的工作原理。在温度产生变化的时候, 电阻也会变化, 铂电阻温度传感器就是根据这一原理制成的。铂电阻材料特点如下:温度系数大, 这也就可以保证铂电阻传感器有较高的灵敏度;性能稳定, 容易对材料进行提纯;电阻率较大, 对于绕制高阻值的元件非常有利;复现性好, 测温就有很高的精确度。想要得到使用铂电阻温度传感器测温时的值, 可以通过换算温度和电阻值之间的关系来实现。

(2) 湿敏电容湿度传感器的工作原理。湿敏电容湿度传感器的介质是有机高分子膜, 也就是具有感湿特性较强的电解质, 在湿度产生变化的时候, 介电常数也会产生相应的变化。湿敏电容湿度传感器有俩部分组成, 分别是湿敏电容和转换电路。湿敏电容的工作原理是当环境湿度发生变化的时候, 湿敏元件的电容量也会产生相应的变化, 也就是当相对湿度减小时, 湿敏电容量随之减小, 反之则增大。湿敏电容变化量可以通过传感器的转换电路转换为电压量变化, 这样就能够测出准确的湿度。

3 HMP45D温湿度传感器的检定校准方法

3.1 HMP45D温湿度传感器的检定校准准备工作

在对HMP45D温湿度传感器进行鉴定校准的时候, 要确保温度稳定, 而且环境通风要好。在检定校准湿度传感器的时候, 可以使用恒湿盐发生器。用氯化镁来配制恒湿盐的33%RH点, 适量的蒸馏水和大约250g氯化镁进行配制, 让其成为饱和盐状态, 并进行调和, 使其成为均匀的糊状。采用同样的方法使用氯酸锌配制恒湿盐的87%温度发生器。将配置好的恒湿盐放置24h之后就可以使用了。

3.2 HMP45D温湿度传感器的检定校准过程

在对HMP45D温湿度传感器进行温度鉴定校准的时候, 在同一个环境中放置被检定校准的温度传感器和温度仪的标准传感器, 让他们稳定, 然后采集数据。在对HMP45D温湿度传感器鉴定校准湿度的时候, 第一步就是要将传感器的保护罩取下, 并对保护罩使用蒸馏水清洗, 还要对保护罩内的滤纸进行清洗, 然后对保护罩和滤纸进行风干, 在完全风干之后, 将保护罩和滤纸安装在传感器上。在恒湿盐饱和室对应的插孔内插入被检定校准的湿度传感器和湿度仪的标准传感器, 要确保湿度仪的标准传感器和湿度传感器插入一样的深度, 并接电, 打开风扇开关, 连接电脑和湿度仪, 让电脑对湿度仪的变化进行测量和记录, 开机进入20—30min之后, 确保数值处于稳定状态的时候对数据进行采集。在现实条件下, 不可能实现完全密封保护, 所以空气中的灰尘和化学物质会接触测量部分, 这样会导致测量有误差。随着温度的变化、时间的推移和机械的冲击等情况, 仪器的电气参数也会发生变化, 所以要在适当的时候调节被测量的湿度传感器, 使得传感器的状态达到理想输出。HMP45D温湿度传感器有俩个调节按钮, 分别是偏移调整旋钮和增益调整旋钮, 分别处于在DRY端和WET端, 在一个坐标系内, 先画上理想输出曲线, 然后根据测量数据做出湿度值测量, 对这俩个曲线进行比较和判断, 确定其属于何种变化, 是增益变化还是偏移变化, 然后进行调整, 这个可以通过2个电位调节旋钮来实现。

调整偏移调整要在整个测量范围内进行, 这可以改变测量曲线的。测量量值的比例的改变需要增益调整来实现, 改变测量曲线的角度。在确保测量的2点之间的相对湿度差要比50%大, 要先进行偏移调整, 在干段进行, 改变测量曲线的高度, 然后要在湿端进行调整, 改变测量曲线的角度, 在完成上述调整之后, 要对干端的读数进行检查, 然后循环上述步骤, 使得测量输出曲线和理想输出曲线接近一直, 之后终止上述步骤。

4 总结

我国的气象事业对于国民经济的发展具有重要作用发展, 这就需要准确、及时的气象数据, 这就需要更严格、精准的气象仪器的检定校准工作, 本文对HMP45D温湿度传感器的鉴定校准进行了研究, 首先论述了HMP45D温湿度传感器的结构及原理, 然后论述了HMP45D温湿度传感器的检定校准方法, 包括HMP45D温湿度传感器的检定校准准备工作和HMP45D温湿度传感器的检定校准过程俩部分内容, 希望本文的研究可以对我国气象事业的发展起到一定的促进作用。

参考文献

[1]王锡芳, 任燕, 李国晋.基于AVR单片机的多通道温湿度传感器检定系统[J].现代电子技术, ISTIC, 2011.

[2]杨志彪, 李中华, 何菊.自动气象站温湿度传感器更换的影响评估[J].应用气象学报, 2014.

传感器校准 篇6

新的泰克PSM3000、PSM4000和PSM5000系列是紧凑型USB功率传感器/功率计, 根据所选型号的不同, 可用于广泛的CW和脉冲调制测量。功率计带有基于Microsoft Windows的功率计应用软件, 用于控制功率计、显示读数和记录数据。这一结合提供了一个完整的测试解决方案, 而不需要独立功率计主机。

泰克公司信号分析仪产品线总经理Mike Flaherty表示:“新的功率传感器/功率计对于无线基站的安装与维护、生产测试、或无线设备与雷达的研究与设计等应用来说是一项重大进步。它们提供了业内领先的精度和性能, 以及理想的外形和卓越的温度稳定性和测量广度。”

泰克PSM系列功率计具有业内最快的测量速度, 高达每秒2 000个读数。这一速度可显著减少测试时间, 并提供以前无法实现的动态功率测量信息。自带软件提供数据存储功能, 并可将这些数据输入计算机进行分析。由于动态范围 (-60 dBm～+20 dBm) 和频率范围 (10 MHz～26.5 GHz) 宽广, PSM系列产品的用途非常广泛。