基于多傳感器數據融合的準靜態校準數據處理方法

沈靜華,裴東興,2*,張 瑜

(1.中北大學計算機與控制工程學院,太原 030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051)

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基于多傳感器數據融合的準靜態校準數據處理方法

沈靜華1,裴東興1,2*,張 瑜1

(1.中北大學計算機與控制工程學院,太原 030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室,太原 030051)

靜態標定后的電子測壓器靶場實測時存在測不準和測試精度不高的問題,為了提高系統的可靠性和測試精度,提出了基于模擬膛壓發生器的模擬應用環境的準靜態校準方法。為了提高校準工作效率,提出了基于多傳感器數據融合的準靜態校準數據處理方法。文中詳細論述了多傳感器數據融合理論以及標準壓力曲線上升沿校準法的合理性。用上述方法校準后的電子測壓器進行靶場實測,測試數據精度高,可靠性強。

儀器儀表技術;多傳感器數據融合;準靜態校準;相關性;靈敏度

放入式電子測壓器是一種新型的火炮膛壓測試儀,具有測試精度高、無引線、可重復使用等特點[1]。電子測壓器的靜態標定是在實驗室條件下進行的,先用油壓標定機標定傳感器,得到傳感器的靈敏度系數(單位pC/MPa),用電荷校準儀標定數據采集與存儲電路,得到電路靈敏度系數(單位pC/b);再用電路靈敏度除以傳感器靈敏度,得到系統靈敏度(單位MPa/b)[2-3]。對已靜態標定的電子測壓器進行靶場實測,在彈重與裝藥量相同的條件下,電子測壓器記錄的最大膛壓值與銅柱測壓器測得的膛壓值相比較,數據散布較大,因此,提出了基于模擬膛壓發生器的模擬應用環境的準靜態校準法。

目前,常用的數據處理方法為峰值法。在高溫、低溫、常溫環境下校準時,分別選取5個壓力校準點,每個校準點測試2次,共獲得30組有效數據。將被校準電子測壓器的輸出最大值與標準傳感器測得最大值的平均值進行最小二乘法擬合,可獲得該溫度下電子測壓器的靈敏度,但存在以下缺點:(1)僅僅利用了膛壓的峰值點,數據利用率過低;(2)校準一枚電子測壓器要10 d左右,則校準周期過長,成本過大。

1 校準系統的組成及工作原理

模擬應用環境的校準系統組成如圖1所示,主要由模擬膛壓發生器、標準檢測系統及高低溫實驗箱組成,校準時,先將電子測壓器保溫48 h,再置于模擬膛壓發生器內,經點火裝置點燃發射藥,此時產生的高溫高壓環境與火炮膛內相似,產生的壓力將作用在標準傳感器和被校準傳感器上[4-5]。

圖1 模擬應用環境的校準系統組成

2 基于多傳感器數據融合的準靜態校準數據處理方法

2.1 多傳感器數據融合

數據融合是對來自多個傳感器的數據進行多級別、多方面、多層次的處理,采用計算機技術對按時序獲得的多傳感器觀測信息在一定準則及算法下加以分析、綜合、支配和利用,從而獲得對被測對象一致性的解釋與描述,使系統獲得比各組成部分更優越的性能,主要包括同類傳感器的數據融合和異類傳感器的數據融合[6-7]。

圖2 標準測試系統融合模型

標準傳感器由3套Kisler6213BK型壓電傳感器構成,即為同類傳感器的數據融合,因此采用加權平均法進行融合。已知標準傳感器測得的壓力為:p=(p1,p2,p3),對應的權值為:k=(k1,k2,k3),即有:

p=k1p1+k2p2+k3p3

k1+k2+k3=1

總均方誤差:

由于3套標準測試系統已經過溯源校準,且具有相同的測試精度:

σ1=σ2=σ3

2.2 標準壓力曲線上升沿校準法的合理性分析

電子測壓器存在3種工作環境,分別為高溫(55 ℃)、常溫(25 ℃)、低溫(-40 ℃)。不同的工作環境下,電子測壓器的靈敏度不同,故需要對3種工作環境分別進行校準。采用標準壓力曲線上升沿校準法時,選取測壓器95% FS～100% FS的壓力值作為校準點,分別在3種環境下重復5次試驗,獲得各溫度下的5組有效數據。在數據滿足相關性的前提下,同一坐標系內,以標準測壓系統的融合壓力曲線為基準,左右平移被校準測壓器測得的膛壓曲線,直至二者相關系數達到最大,在曲線上升沿部分30%～80%范圍內,抽取80個～100個數據點,作為一個樣本,采用最小二乘法對五組數據樣本進行線性擬合,即得到測壓器在該溫度下的工作直線方程:

y=ax+b

式中:y是該保溫條件下某采樣點的壓力值,單位是MPa;b是該保溫條件下的截距,單位是MPa;a是該保溫條件下的靈敏度系數,單位是MPa/bit;x是測壓器某采樣點的比特值。

2.2.1 同源性分析

泄壓膜片沖破之前,膛內為定容變質量的火藥燃燒過程,假定測得的數據滿足相關性,則認為標準傳感器與被校準傳感器接收同一個壓力信號。破膜后,燃燒過程為變容,火藥氣體經排氣噴管向外排出,在模擬膛壓發生器內形成火藥燃氣的不均勻流場,即使滿足相關性,也不能認為標準壓力傳感器與被校準傳感器受同一壓力源作用。由圖3可知,火炮膛壓升至峰值在破膜之后,因此采用上升沿部分30%～80%范圍內的數據進行擬合是可行的。

圖3 破膜信號圖

2.2.2 正態性分析

正態性是試驗數據隨機誤差特性統計的基本條件,關系到數據的選取與處理方法,因此對試驗數據進行正態性檢驗是試驗數據處理與分析的重要環節[8-9]。如表1所示,對膛壓曲線整體、上升沿及下降沿進行正態性分析,若|g1|≤D1或|g2-3|≤D2,則認為總體服從正態分布。

分析表1中信息,曲線膛壓僅在上升沿部分30%～80%范圍內完全服從正態分布,且該范圍內的點是獨立同分布,優于其他部分,故采用上升沿法擬合得到的靈敏度精度更高。

表1 校準試驗數據正態性分析結果

3 數據處理

皮爾遜相關系數ρpx即動態測量時衡量相對誤差能量的大小,且相關系數越接近0,相關性越差,則引入的相對誤差能量越大[10-12]。已知pi(ti)、xi(ti)分別為兩套測試系統測得的數據,且二者的相關系數為:

由于3套標準傳感器屬于同一系統,則要求其兩兩之間的相關系數大于99.99%,表明3套傳感器受同一壓力源作用,與此同時,要求被校準傳感器測得的膛壓曲線與數據融合后膛壓曲線的相關性大于99.9%,則說明二者受同一壓力信號激勵。分析表2數據,標準傳感器之間、被校準傳感器與標準融合曲線之間均滿足相關性,可采用標準壓力曲線上升沿校準法進行最小二乘法擬合求取靈敏度。

表2 標準傳感器之間的相關系數

對同一枚電子測壓器,分別進行靜態標定和準靜態校準,經整理、擬合得到測壓器的靈敏度,并對測壓器進行靶場實測,結果如表3所示。分析表3數據可知,與靜態標定相比,經準靜態校準的電子測壓器數據散布明顯減小。準靜態校準分別采用峰值法和標準壓力曲線上升沿校準法,比較二者的測試結果,則由標準壓力曲線上升沿校準法得到的測壓器靈敏度精度更高,數據散布更小,故采用基于多傳感器數據融合的準靜態校準方法不僅縮短了校準周期,且具有測試精度高,穩定性好、可信度高的特點。

表3 兩種校準法測得的壓力峰值

4 結束語

本文針對靜態標定后的電子測壓器測試精度不高、數據散布較大,提出了模擬應用環境的準靜態校準方法,針對峰值法校準周期過長,提出了基于多傳感器的準動態校準數據處理方法,分析了標準壓力曲線上升沿校準法的合理性。分析靶場實測數據,則準靜態校準后的電子測壓器測試數據散布明顯減小,可靠性增強。采用標準壓力曲線上升沿校準法不僅縮短了校準周期,且進一步提高了測試精度,則說明基于多傳感器數據融合的準靜態校準數據處理方法是合理可行的。

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沈靜華(1990-),女,漢族,河南洛陽人,碩士,研究方向為動態測試與智能儀器,371804261@qq.com;

裴東興(1970-),男,漢族,山西臨汾人,教授,博士,研究方向為動態測控與智能儀器技術,peidongxing@nuc.edu.cn。

Quasi-Static Calibration Data Processing MethodBased on Multi-Sensor Data Fusion

SHEN Jinghua1,PEI Dongxing1,2*,ZHANG Yu1

(1.School of Computer and Control Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,Taiyuan 030051,China)

After the static calibration,the test result of electronic pressure measuring device has the problem of inaccuracy and low precision. In order to improve the reliability and measuring accuracy of system,come up with quasi-static calibration method of simulated application environment based on simulation chamber pressure deviser. With the purpose of increase calibration work efficiency,put forward quasi-static calibration data processing method based on multi-sensor data fusion. The article detailedly discussed multi-sensor data fusion theory and the rationality of standard pressure curve rising edge calibration method. Electronic pressure measuring device which has been calibrated using the above method was tested in shooting range,and the data has high reliability and high precision.

instrumentation technology;multi-sensor data fusion;quasi-static calibration;correlation;sensitivity

2016-10-31 修改日期:2017-03-20

TM930.12

A

1004-1699(2017)07-1040-04

C:7210;7220

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.012