沈静华,裴东兴,2*,张 瑜

(1.中北大学计算机与控制工程学院,太原 030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051)



基于多传感器数据融合的准静态校准数据处理方法

沈静华1,裴东兴1,2*,张 瑜1

(1.中北大学计算机与控制工程学院,太原 030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051)

静态标定后的电子测压器靶场实测时存在测不准和测试精度不高的问题,为了提高系统的可靠性和测试精度,提出了基于模拟膛压发生器的模拟应用环境的准静态校准方法。为了提高校准工作效率,提出了基于多传感器数据融合的准静态校准数据处理方法。文中详细论述了多传感器数据融合理论以及标准压力曲线上升沿校准法的合理性。用上述方法校准后的电子测压器进行靶场实测,测试数据精度高,可靠性强。

仪器仪表技术;多传感器数据融合;准静态校准;相关性;灵敏度

放入式电子测压器是一种新型的火炮膛压测试仪,具有测试精度高、无引线、可重复使用等特点[1]。电子测压器的静态标定是在实验室条件下进行的,先用油压标定机标定传感器,得到传感器的灵敏度系数(单位pC/MPa),用电荷校准仪标定数据采集与存储电路,得到电路灵敏度系数(单位pC/b);再用电路灵敏度除以传感器灵敏度,得到系统灵敏度(单位MPa/b)[2-3]。对已静态标定的电子测压器进行靶场实测,在弹重与装药量相同的条件下,电子测压器记录的最大膛压值与铜柱测压器测得的膛压值相比较,数据散布较大,因此,提出了基于模拟膛压发生器的模拟应用环境的准静态校准法。

目前,常用的数据处理方法为峰值法。在高温、低温、常温环境下校准时,分别选取5个压力校准点,每个校准点测试2次,共获得30组有效数据。将被校准电子测压器的输出最大值与标准传感器测得最大值的平均值进行最小二乘法拟合,可获得该温度下电子测压器的灵敏度,但存在以下缺点:(1)仅仅利用了膛压的峰值点,数据利用率过低;(2)校准一枚电子测压器要10 d左右,则校准周期过长,成本过大。

1 校准系统的组成及工作原理

模拟应用环境的校准系统组成如图1所示,主要由模拟膛压发生器、标准检测系统及高低温实验箱组成,校准时,先将电子测压器保温48 h,再置于模拟膛压发生器内,经点火装置点燃发射药,此时产生的高温高压环境与火炮膛内相似,产生的压力将作用在标准传感器和被校准传感器上[4-5]。

图1 模拟应用环境的校准系统组成

2 基于多传感器数据融合的准静态校准数据处理方法

2.1 多传感器数据融合

数据融合是对来自多个传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理,采用计算机技术对按时序获得的多传感器观测信息在一定准则及算法下加以分析、综合、支配和利用,从而获得对被测对象一致性的解释与描述,使系统获得比各组成部分更优越的性能,主要包括同类传感器的数据融合和异类传感器的数据融合[6-7]。

图2 标准测试系统融合模型

标准传感器由3套Kisler6213BK型压电传感器构成,即为同类传感器的数据融合,因此采用加权平均法进行融合。已知标准传感器测得的压力为:p=(p1,p2,p3),对应的权值为:k=(k1,k2,k3),即有:

p=k1p1+k2p2+k3p3

k1+k2+k3=1

总均方误差:

由于3套标准测试系统已经过溯源校准,且具有相同的测试精度:

σ1=σ2=σ3

2.2 标准压力曲线上升沿校准法的合理性分析

电子测压器存在3种工作环境,分别为高温(55 ℃)、常温(25 ℃)、低温(-40 ℃)。不同的工作环境下,电子测压器的灵敏度不同,故需要对3种工作环境分别进行校准。采用标准压力曲线上升沿校准法时,选取测压器95% FS～100% FS的压力值作为校准点,分别在3种环境下重复5次试验,获得各温度下的5组有效数据。在数据满足相关性的前提下,同一坐标系内,以标准测压系统的融合压力曲线为基准,左右平移被校准测压器测得的膛压曲线,直至二者相关系数达到最大,在曲线上升沿部分30%～80%范围内,抽取80个～100个数据点,作为一个样本,采用最小二乘法对五组数据样本进行线性拟合,即得到测压器在该温度下的工作直线方程:

y=ax+b

式中:y是该保温条件下某采样点的压力值,单位是MPa;b是该保温条件下的截距,单位是MPa;a是该保温条件下的灵敏度系数,单位是MPa/bit;x是测压器某采样点的比特值。

2.2.1 同源性分析

泄压膜片冲破之前,膛内为定容变质量的火药燃烧过程,假定测得的数据满足相关性,则认为标准传感器与被校准传感器接收同一个压力信号。破膜后,燃烧过程为变容,火药气体经排气喷管向外排出,在模拟膛压发生器内形成火药燃气的不均匀流场,即使满足相关性,也不能认为标准压力传感器与被校准传感器受同一压力源作用。由图3可知,火炮膛压升至峰值在破膜之后,因此采用上升沿部分30%～80%范围内的数据进行拟合是可行的。

图3 破膜信号图

2.2.2 正态性分析

正态性是试验数据随机误差特性统计的基本条件,关系到数据的选取与处理方法,因此对试验数据进行正态性检验是试验数据处理与分析的重要环节[8-9]。如表1所示,对膛压曲线整体、上升沿及下降沿进行正态性分析,若|g1|≤D1或|g2-3|≤D2,则认为总体服从正态分布。

分析表1中信息,曲线膛压仅在上升沿部分30%～80%范围内完全服从正态分布,且该范围内的点是独立同分布,优于其他部分,故采用上升沿法拟合得到的灵敏度精度更高。

表1 校准试验数据正态性分析结果

3 数据处理

皮尔逊相关系数ρpx即动态测量时衡量相对误差能量的大小,且相关系数越接近0,相关性越差,则引入的相对误差能量越大[10-12]。已知pi(ti)、xi(ti)分别为两套测试系统测得的数据,且二者的相关系数为:

由于3套标准传感器属于同一系统,则要求其两两之间的相关系数大于99.99%,表明3套传感器受同一压力源作用,与此同时,要求被校准传感器测得的膛压曲线与数据融合后膛压曲线的相关性大于99.9%,则说明二者受同一压力信号激励。分析表2数据,标准传感器之间、被校准传感器与标准融合曲线之间均满足相关性,可采用标准压力曲线上升沿校准法进行最小二乘法拟合求取灵敏度。

表2 标准传感器之间的相关系数

对同一枚电子测压器,分别进行静态标定和准静态校准,经整理、拟合得到测压器的灵敏度,并对测压器进行靶场实测,结果如表3所示。分析表3数据可知,与静态标定相比,经准静态校准的电子测压器数据散布明显减小。准静态校准分别采用峰值法和标准压力曲线上升沿校准法,比较二者的测试结果,则由标准压力曲线上升沿校准法得到的测压器灵敏度精度更高,数据散布更小,故采用基于多传感器数据融合的准静态校准方法不仅缩短了校准周期,且具有测试精度高,稳定性好、可信度高的特点。

表3 两种校准法测得的压力峰值

4 结束语

本文针对静态标定后的电子测压器测试精度不高、数据散布较大,提出了模拟应用环境的准静态校准方法,针对峰值法校准周期过长,提出了基于多传感器的准动态校准数据处理方法,分析了标准压力曲线上升沿校准法的合理性。分析靶场实测数据,则准静态校准后的电子测压器测试数据散布明显减小,可靠性增强。采用标准压力曲线上升沿校准法不仅缩短了校准周期,且进一步提高了测试精度,则说明基于多传感器数据融合的准静态校准数据处理方法是合理可行的。

[1] 孙正席,张瑜,裴东兴. 微型电子测压器准动态校准的合理性[J]. 传感技术学报,2012,25(11):1522-1526.

[2] 杨文,张瑜,祖静. 放入式电子测压器的校准技术研究[J]. 传感技术学报,2015,28(9):1384-1388.

[3] 凤宝利,刘琴,席海军,等. 小体积膛压测试仪及其校准方法[J]. 计量与测试技术,2013,40(7):33-35.

[4] 张瑜,祖静,张红艳,等. 基于环境因子的火炮膛压测试仪校准装置[J]. 探测与控制学报,2012,34(6):35-39.

[5] 中国人民解放军总装备部测量通信总体研究所. GJB 2973A—2008 火炮内弹道测试方法[S]. 北京:总装备部军标出版发行部,2008.

[6] 张延龙,王俊勇. 多传感器数据融合技术概述[J]. 舰船电子工程,2013,33(2):41-44.

[7] 王凤朝,黄树采,韩朝超. 多传感器信息融合及其新技术研究[J]. 航空计算技术,2009,39(1):102-106.

[8] 杨斌. 正态性检验的几种方法比较[J]. 统计与决策,2015(14):72-74.

[9] 田禹. 基于偏度和峰度的正态性检验[D]. 上海:上海交通大学,2012.

[10] 袁月华,裴东兴,张瑜,等. 基于相关性的微型电子测压器模拟应用环境下的校准方法[J]. 弹箭与制导学报,2011,31(6):197-198.

[11] 王卿. 放入式电子测压器的智能化设计及校准技术研究[D]. 太原:中北大学,2011.

[12] 梁高翔,马铁华,张艳兵. 相关性校准法上升沿抽点和线性关系的合理性[J]. 探测与控制学报,2011,33(4):77-80.

沈静华(1990-),女,汉族,河南洛阳人,硕士,研究方向为动态测试与智能仪器,371804261@qq.com;

裴东兴(1970-),男,汉族,山西临汾人,教授,博士,研究方向为动态测控与智能仪器技术,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