沈靜華,裴東興,2*,張 瑜

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法

沈靜華1,裴東興1,2*,張 瑜1

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

靜態(tài)標(biāo)定后的電子測(cè)壓器靶場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)存在測(cè)不準(zhǔn)和測(cè)試精度不高的問(wèn)題,為了提高系統(tǒng)的可靠性和測(cè)試精度,提出了基于模擬膛壓發(fā)生器的模擬應(yīng)用環(huán)境的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法。為了提高校準(zhǔn)工作效率,提出了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法。文中詳細(xì)論述了多傳感器數(shù)據(jù)融合理論以及標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法的合理性。用上述方法校準(zhǔn)后的電子測(cè)壓器進(jìn)行靶場(chǎng)實(shí)測(cè),測(cè)試數(shù)據(jù)精度高,可靠性強(qiáng)。

儀器儀表技術(shù);多傳感器數(shù)據(jù)融合;準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn);相關(guān)性;靈敏度

放入式電子測(cè)壓器是一種新型的火炮膛壓測(cè)試儀,具有測(cè)試精度高、無(wú)引線、可重復(fù)使用等特點(diǎn)[1]。電子測(cè)壓器的靜態(tài)標(biāo)定是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的,先用油壓標(biāo)定機(jī)標(biāo)定傳感器,得到傳感器的靈敏度系數(shù)(單位pC/MPa),用電荷校準(zhǔn)儀標(biāo)定數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路,得到電路靈敏度系數(shù)(單位pC/b);再用電路靈敏度除以傳感器靈敏度,得到系統(tǒng)靈敏度(單位MPa/b)[2-3]。對(duì)已靜態(tài)標(biāo)定的電子測(cè)壓器進(jìn)行靶場(chǎng)實(shí)測(cè),在彈重與裝藥量相同的條件下,電子測(cè)壓器記錄的最大膛壓值與銅柱測(cè)壓器測(cè)得的膛壓值相比較,數(shù)據(jù)散布較大,因此,提出了基于模擬膛壓發(fā)生器的模擬應(yīng)用環(huán)境的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)法。

目前,常用的數(shù)據(jù)處理方法為峰值法。在高溫、低溫、常溫環(huán)境下校準(zhǔn)時(shí),分別選取5個(gè)壓力校準(zhǔn)點(diǎn),每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)試2次,共獲得30組有效數(shù)據(jù)。將被校準(zhǔn)電子測(cè)壓器的輸出最大值與標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)得最大值的平均值進(jìn)行最小二乘法擬合,可獲得該溫度下電子測(cè)壓器的靈敏度,但存在以下缺點(diǎn):(1)僅僅利用了膛壓的峰值點(diǎn),數(shù)據(jù)利用率過(guò)低;(2)校準(zhǔn)一枚電子測(cè)壓器要10 d左右,則校準(zhǔn)周期過(guò)長(zhǎng),成本過(guò)大。

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成及工作原理

模擬應(yīng)用環(huán)境的校準(zhǔn)系統(tǒng)組成如圖1所示,主要由模擬膛壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)及高低溫實(shí)驗(yàn)箱組成,校準(zhǔn)時(shí),先將電子測(cè)壓器保溫48 h,再置于模擬膛壓發(fā)生器內(nèi),經(jīng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃發(fā)射藥,此時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境與火炮膛內(nèi)相似,產(chǎn)生的壓力將作用在標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校準(zhǔn)傳感器上[4-5]。

圖1 模擬應(yīng)用環(huán)境的校準(zhǔn)系統(tǒng)組成

2 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法

2.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是對(duì)來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面、多層次的處理,采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的多傳感器觀測(cè)信息在一定準(zhǔn)則及算法下加以分析、綜合、支配和利用,從而獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象一致性的解釋與描述,使系統(tǒng)獲得比各組成部分更優(yōu)越的性能,主要包括同類傳感器的數(shù)據(jù)融合和異類傳感器的數(shù)據(jù)融合[6-7]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)融合模型

標(biāo)準(zhǔn)傳感器由3套Kisler6213BK型壓電傳感器構(gòu)成,即為同類傳感器的數(shù)據(jù)融合,因此采用加權(quán)平均法進(jìn)行融合。已知標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)得的壓力為:p=(p1,p2,p3),對(duì)應(yīng)的權(quán)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)溯源校準(zhǔn),且具有相同的測(cè)試精度:

σ1=σ2=σ3

2.2 標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法的合理性分析

電子測(cè)壓器存在3種工作環(huán)境,分別為高溫(55 ℃)、常溫(25 ℃)、低溫(-40 ℃)。不同的工作環(huán)境下,電子測(cè)壓器的靈敏度不同,故需要對(duì)3種工作環(huán)境分別進(jìn)行校準(zhǔn)。采用標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法時(shí),選取測(cè)壓器95% FS～100% FS的壓力值作為校準(zhǔn)點(diǎn),分別在3種環(huán)境下重復(fù)5次試驗(yàn),獲得各溫度下的5組有效數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)滿足相關(guān)性的前提下,同一坐標(biāo)系內(nèi),以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓系統(tǒng)的融合壓力曲線為基準(zhǔn),左右平移被校準(zhǔn)測(cè)壓器測(cè)得的膛壓曲線,直至二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大,在曲線上升沿部分30%～80%范圍內(nèi),抽取80個(gè)～100個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),作為一個(gè)樣本,采用最小二乘法對(duì)五組數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行線性擬合,即得到測(cè)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(diǎn)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(shù),單位是MPa/bit;x是測(cè)壓器某采樣點(diǎn)的比特值。

2.2.1 同源性分析

泄壓膜片沖破之前,膛內(nèi)為定容變質(zhì)量的火藥燃燒過(guò)程,假定測(cè)得的數(shù)據(jù)滿足相關(guān)性,則認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被校準(zhǔn)傳感器接收同一個(gè)壓力信號(hào)。破膜后,燃燒過(guò)程為變?nèi)?火藥氣體經(jīng)排氣噴管向外排出,在模擬膛壓發(fā)生器內(nèi)形成火藥燃?xì)獾牟痪鶆蛄鲌?chǎng),即使?jié)M足相關(guān)性,也不能認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器與被校準(zhǔn)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(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合是可行的。

圖3 破膜信號(hào)圖

2.2.2 正態(tài)性分析

正態(tài)性是試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差特性統(tǒng)計(jì)的基本條件,關(guān)系到數(shù)據(jù)的選取與處理方法,因此對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析的重要環(huán)節(jié)[8-9]。如表1所示,對(duì)膛壓曲線整體、上升沿及下降沿進(jìn)行正態(tài)性分析,若|g1|≤D1或|g2-3|≤D2,則認(rèn)為總體服從正態(tài)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(nèi)完全服從正態(tài)分布,且該范圍內(nèi)的點(diǎn)是獨(dú)立同分布,優(yōu)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(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)正態(tài)性分析結(jié)果

3 數(shù)據(jù)處理

皮爾遜相關(guān)系數(shù)ρpx即動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)衡量相對(duì)誤差能量的大小,且相關(guān)系數(shù)越接近0,相關(guān)性越差,則引入的相對(duì)誤差能量越大[10-12]。已知pi(ti)、xi(ti)分別為兩套測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù),且二者的相關(guān)系數(shù)為:

由于3套標(biāo)準(zhǔn)傳感器屬于同一系統(tǒng),則要求其兩兩之間的相關(guān)系數(shù)大于99.99%,表明3套傳感器受同一壓力源作用,與此同時(shí),要求被校準(zhǔn)傳感器測(cè)得的膛壓曲線與數(shù)據(jù)融合后膛壓曲線的相關(guān)性大于99.9%,則說(shuō)明二者受同一壓力信號(hào)激勵(lì)。分析表2數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間、被校準(zhǔn)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)融合曲線之間均滿足相關(guān)性,可采用標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法進(jìn)行最小二乘法擬合求取靈敏度。

表2 標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的相關(guān)系數(shù)

對(duì)同一枚電子測(cè)壓器,分別進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定和準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn),經(jīng)整理、擬合得到測(cè)壓器的靈敏度,并對(duì)測(cè)壓器進(jìn)行靶場(chǎng)實(shí)測(cè),結(jié)果如表3所示。分析表3數(shù)據(jù)可知,與靜態(tài)標(biāo)定相比,經(jīng)準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)的電子測(cè)壓器數(shù)據(jù)散布明顯減小。準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)分別采用峰值法和標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法,比較二者的測(cè)試結(jié)果,則由標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法得到的測(cè)壓器靈敏度精度更高,數(shù)據(jù)散布更小,故采用基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法不僅縮短了校準(zhǔn)周期,且具有測(cè)試精度高,穩(wěn)定性好、可信度高的特點(diǎn)。

表3 兩種校準(zhǔn)法測(cè)得的壓力峰值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)靜態(tài)標(biāo)定后的電子測(cè)壓器測(cè)試精度不高、數(shù)據(jù)散布較大,提出了模擬應(yīng)用環(huán)境的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)方法,針對(duì)峰值法校準(zhǔn)周期過(guò)長(zhǎng),提出了基于多傳感器的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法,分析了標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法的合理性。分析靶場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),則準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)后的電子測(cè)壓器測(cè)試數(shù)據(jù)散布明顯減小,可靠性增強(qiáng)。采用標(biāo)準(zhǔn)壓力曲線上升沿校準(zhǔn)法不僅縮短了校準(zhǔn)周期,且進(jìn)一步提高了測(cè)試精度,則說(shuō)明基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法是合理可行的。

[1] 孫正席,張瑜,裴東興. 微型電子測(cè)壓器準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的合理性[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(11):1522-1526.

[2] 楊文,張瑜,祖靜. 放入式電子測(cè)壓器的校準(zhǔn)技術(shù)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,28(9):1384-1388.

[3] 鳳寶利,劉琴,席海軍,等. 小體積膛壓測(cè)試儀及其校準(zhǔn)方法[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2013,40(7):33-35.

[4] 張瑜,祖靜,張紅艷,等. 基于環(huán)境因子的火炮膛壓測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2012,34(6):35-39.

[5] 中國(guó)人民解放軍總裝備部測(cè)量通信總體研究所. GJB 2973A—2008 火炮內(nèi)彈道測(cè)試方法[S]. 北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2008.

[6] 張延龍,王俊勇. 多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)概述[J]. 艦船電子工程,2013,33(2):41-44.

[7] 王鳳朝,黃樹采,韓朝超. 多傳感器信息融合及其新技術(shù)研究[J]. 航空計(jì)算技術(shù),2009,39(1):102-106.

[8] 楊斌. 正態(tài)性檢驗(yàn)的幾種方法比較[J]. 統(tǒng)計(jì)與決策,2015(14):72-74.

[9] 田禹. 基于偏度和峰度的正態(tài)性檢驗(yàn)[D]. 上海:上海交通大學(xué),2012.

[10] 袁月華,裴東興,張瑜,等. 基于相關(guān)性的微型電子測(cè)壓器模擬應(yīng)用環(huán)境下的校準(zhǔn)方法[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2011,31(6):197-198.

[11] 王卿. 放入式電子測(cè)壓器的智能化設(shè)計(jì)及校準(zhǔn)技術(shù)研究[D]. 太原:中北大學(xué),2011.

[12] 梁高翔,馬鐵華,張艷兵. 相關(guān)性校準(zhǔn)法上升沿抽點(diǎn)和線性關(guān)系的合理性[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2011,33(4):77-80.

沈靜華(1990-),女,漢族,河南洛陽(yáng)人,碩士,研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)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?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)控與智能儀器技術(shù),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