《瞬态表面温度传感器动态测量误差补偿算法研究(测试计量技术及仪器专业优秀论文).pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《瞬态表面温度传感器动态测量误差补偿算法研究(测试计量技术及仪器专业优秀论文).pdf（78页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、瞬态表面温度传感器动态测量误差补偿算法研究摘要本文以瞬态表面温度测试为背景，围绕测温传感器动态特性研究及改进这一主题，论述了相关的小波滤波、系统辨识建模和动态测量误差补偿技术，并进行了实验研究和计算机仿真研究。首先，介绍了动态校准、动态建模和动态测量误差补偿技术的研究现状。瞬态温度在兵器测试等领域应用十分广泛，但瞬态温度变化快而且测试条件恶劣，由于传感器的热惯性和有限热传导，使得传感器响应速度跟不上瞬态温度变化的速度，测量结果中存在较大的动态误差。动态建模和动态测量误差补偿技术也取得了很大进展，国内外有很多相关研究成果。其次，研究了动态误差产生的原因及其特点，并对测温系统动态特性进行了分析。而
2、后详细介绍了小波滤波的定义及原理，对小波滤波的三种滤波方法进行分析，并采用其中一种方法小波阈值滤波进行仿真。不同阈值选取方法，对信号的滤波效果不同，然后用小波阈值滤波对信号进行重构，得到的重构信号与原始信号进行比较。接着，根据动态激励信号的要求，应用现有的动态校准系统，针对O M E G A 公司C H A L-0 1 0 热电偶，对动态校准的输入、输出数据进行小波滤波，并对重构后的数据采用系统模型辨识的方法得到了系统的动态数学模型，分析了系统的动态特性，并利用交叉检验法验证该模型的正确性。最后选择了纳曼和盖劳姆博士共同提出的反滤波方法对测温系统进行动态测量误差补偿，明显改善了系统的动态特性，
3、减小了动态误差，展宽了工作频带，并给出了相应的补偿结果。关键词：表面温度传感器，动态校准，动态补偿，小波滤波，系统辨识R e s e a r c ho nD y n a m i cM e a s u r e m e n tE r r o r sC o m p e n s a t i o nA r i t h m e t i co fT r a n s i e n tS u r f a c et e m p e r a t u r eS e n s o rA b s t r a c tA u t h o r：Z h a n gY a nT u t o r：H a oX i a o j i a n
4、A g a i n s tt h eb a c k g r o u n do ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r em e a s 珊e m e m，t h er e s e a r c hw o r ka b o u tt e c h n o l o g yo fw a v e l e tf i l t r a t i o n，d y n a m i cm o d e l i n ga n dm e a s u r e m e n te r r o r sc o m p e n s a t i o n，c o r r e l a t i v e l y
5、t ot h et o p i co ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di t si m p r o v e m e n to ft h es u r f a c et e m p e r a t u r es e n s o r,i sd e s c r i b e di nd e t a i l I ti n c l u d e s e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h F i r s t l y,t h es t u d ya c
6、 t u a l i t yo ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t，d y n a m i cm o i l i n ga n dd y n a m i cm e a s u r e m e n te r r o r sc o m p e n s a t i o ni si n t r o d u c e d T r a n s i e n tt e m p e r a t u r ei si m p o r t a n tt ot h ew e a p o n r ym e a s u r e m e n
7、ta n do t h e rf i e l d s B u tt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ev a r i e sf a s ta n dt h em e a s u r e m e n te n v i r o n m e n ti su n f a v o r a b l e T h er e s p o n s es p e e do fs e n s o ri sq u i c k e rt h a nt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ev a r y i n gs p e e
8、da n dt h e r ea r eg r e a td y n a m i ce r r o r sb e t w e e nm e a s u r e dr e s u l t sa n dt h er e a ls i g n a lf o rt h et h e r m a li n e r t i aa n df i n i t et h e r m a lc o n d u c to ft h es e n s o r T h e r ea r eg r e a td e v e l o p m e n ti nd y n a m i cm o d e l i n ga n d
9、d y n a m i ce r r o r sc o m p e n s a t i o n,a n dl o t so fc o r r e l a t i v er e s e a r c hf i n d i n g sa r ep r e s e n t e d T h e nt h ec a u s ef o rd y n a m i ce r r o r sa n di t se f f e c ti ss t u d i e d，a n dt h ed y n a m i cp r o p e r t yo fm e a s u r e m e ms y s t e mi sa
10、 l s oa n a l y z e d。T h e n，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l eo fw a v e l e tf i l t e r i n g，a n a l y z e st h r e ek i n d so fw a v e l e tf i l t e r i n g，a n ds i m u l a t e sw i t hw a v e l e tt h r e s h o l d i n g A st h em e t h o do fc
11、o n f i r m i n gt h r e s h o l di sd i f f e r e n t，f i l t e r i n ge f f e c to ft h es i g n a li sd i f f e r e n tt o o A n du s i n gw a v e l e tt h r e s h o l d i n gf i l t e rr e c o n s t r u c t st h es i g n a l，w h a ti sc o m p a r e dw i t ho r i g i n a ls i g n a l T h e n，a c
12、c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fi n p u ts i g n a l，a p p l i c a t i o no fe x i s t i n gd y n a m i cc a l i b r a t i o ns y s t e mo ft r a n s i e n ts u r f a c et e m p e r a t u r es e n s o r,u s i n gt h eC H A L-010t h e r m o c o u p l eo fO M E G Ac o m p a n i e s，W a v
13、e l e tf i l t e r i n gt h ed y n a m i cc a l i b r a t i o no fI n O u td a t a,a n du s i n gt h er e c o n s t r u c t i o no ft h ed a t a,t h em o d e lo ft h i st e m p e r a t u r en l e a s u r e m e n ts y s t e mi sc o n s t r u c t e dw i t ht h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm
14、e t h o da n dt h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o di Sa l s ot e s t i f i e db yt h ec r o s s v a l i d a t i o nm e t h o d F i n a l l yt h ei n v e r s ef i l t e r e rm e t h o d，p r o p o s e db yD r N a h m a na n dG u i l l a u m e，i su s e dt oc o m p e n s a t et h et e m p e r a t u
15、r em e a s u r e m e n ts y s t e m，a n dt h es y s t e md y n a m i cp r o p e r t yi s知识水坝pologoogle为您整理a m e n d e d：t h ed y n a m i ce r r o r sa r er e d u c e da n dt h ew o r kb a n d w i d t hi sw i d e n e de v i d e n t l y T h ec o m p e n s a t i o nr e s u l t sa r ea l s op r o v i d
16、e d K e y w o r d s：S u r f a c eT e m p e r a t u r eS e n s o r,D y n a m i cC a l i b r a t i o n，D y n a m i cC o m p e n s a t i o n，w a v e l e tf i l t r a t i o n，S y s t e mI d e n t i f i c a t i o n知识水坝pologoogle为您整理原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集
17、体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：弛刍乡日期：鲨；：苎：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名：壅奎受日期：羔!基：!叁导师签名：中北大学学位论文1 1 研究背景、目的和意义第一章绪论温
18、度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目。它在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量。瞬态温度作为热现象涉及到燃烧、传热等方面，是零件热变形、热应力分析的重要参数，尤其是表面瞬态温度，它可以反映燃烧过程中的一些重要信息。在热工设备、动力机械、火箭发动机、化工容器、核能工程等学科领域中，瞬态温度的测量占有非常重要的地位。需要测量瞬态表面温度的许多场合，温度参数直接影响设备的性能和安全。由于温度随时间迅速变化，传感器感温件的热惯性和有限的传导会产生动态测量误差。瞬态温度测量的特点是温度高，变化快，常伴有高压或高速气流，一次性不可重复的过程居多，条件恶劣
19、，迫切需要一种耐冲击、抗烧蚀，响应快的瞬态高温传感器n 3 1。动态测量是指量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定，也就是被测量为变量的连续测量过程。自1 9 7 6 年动态测试问题被列入第七届国际计量技术联合会大会的议程以来，动态测试受到各国的重视，并取得了很大的进展，已经成为计量学的一个独立分支。瞬态温度测量就是动态测量的一个重要方向。瞬态温度测量工作的特点是温度高、变化快而且可能伴随有高压或高速气体流动，一次性过程居多，因此保证测量精度非常困难。目前的理论与实践仍然不能满足测量工作的需要，主要原因除了传感器性能需要进一步改善外，还在于温度传感器动态校准技术。测温传感器由于感温件的热惯性和
20、有限热传导，测出的温度与实际温度存在差别，即所谓的动态响应误差。在利用传感器对瞬变信号实施动态测量时，由于传感器动态特性存在着一定的响应滞后，使得动态测量结果与真值之间存在较大的动态误差为了尽量减少这类系统误差，一般需对测温传感器进行动态校准。其目的在于利用已知迅速变化的温度信号来探明各类温度传感器的动态响应，并对测温结果进行修正使之更接近于真实的温度信号，从而达到减少动态响应误差的目的。为了得到精确的动态测量结果，必须对传感器的输出信号进行后处理，增加动态补偿环节，实现对动态测量误差的补偿5】o动态校准技术对传感器研制、动态特性评价、测量结果的分析和瞬态表面温度测量1中北大学学位论文技术起着
21、一定的制约作用。在动态校准过程中，对被校准传感器采集的试验数据进行处理，建立动态数学模型，利用反滤波和信号复原的方法设计动态补偿滤波器，改进传感器的动态性能，有着至关重要的作用n 引。1 2 本论文相关技术的国内外现状1 2 1 表面温度传感器动态校准的国内外现状由于温度传感器的热惯性和有限热传导，温度测量特别是瞬态温度测量过程中，存在严重的动态误差，影响测量的精度。为了研究测试系统动态特性，评定动态误差程度，必须首先对传感器进行动态校准。国内外关于温度测量动态校准的报道不多，大多针对温度变化速度较慢的中、低温测试环境。国外在第二次世界大战期间就已经开始研究瞬态温度的温度方法，并取得了一定的进
22、展。如美国就曾专门采用热电偶测量了M 6 0 式机枪枪管内膛表面瞬态温度，以单发和5 发、1 0 发、2 0 0 发和3 0 0 发连射，应用多路采集系统，测得了温度变化曲线。六十年代，日本曾研制成夹板式薄膜热电偶，用于测定内燃机的瞬态温度。据A S E A 有关文献报道，一种同轴式热电偶在活塞式发动机气缸壁温测量中得到应用，其响应时间为l g s，测量范围为O 一6 0 0，瞬时测量可达到1 5 0 0 C，但其耐压仅为6 0 M p a。C E M o e l l e r等人利用M e f t h e m 公司研制的双丝型热电偶对7 6 2 M M 试验枪膛内、外表面温度进行了测量研究，其
23、响应时间为微秒级，热电偶在试验前，采用电位差计进行静态校准I t l】1 1 2 【1 3】o动态校准首要问题是：要有频带能充分覆盖被校传感器和测试系统模态的动态激励信号发生器，这样才能把被校准系统的主要模态激发出来。因此为了找到符合上述要求的动态激励热源用于温度传感器动态校准，国内外科技工作者采用了不同的方法：I r e l a n dE T 等人采用脉冲电流加热薄铝箔的方法，用来研究表面温度计的时间响应特性。与此类似，E r h a r dS c h r e c k 采用了跏m 薄膜电阻产生的5 0#s 短热脉冲的方法，对用于表面温度测量的微小热电偶动态特性进行了研究，但这种方法产生温度变
24、化范围较小乜7 1。C h o h a nR K 等人借助气压缸，将热电偶由常温空气移入热气流中来测量热电偶的时间常数，实验表明：测得的响应时间随着液体测试方法的不同有明显的差异n7 J。B u d w i n gR 等人通过调制的激光器产生阶跃温度，实现传感器的动态校准n 副。C a s t e l l i n iE2中北大学学位论文等人用连续激光器加热被校传感器，根据流动介质的有关参数来确定用于气流温度测量的传感器时间常数和对流热交换系数n 引。法国S e r i oB 等人采用调制激光技术对薄膜热电偶的静、动态校准进行了研究跚1。国内对瞬态温度测量动态校准的研究起步较晚，我国自六十年代起
25、逐步在此领域开展研究，并发展了相应的动态校准技术，不少单位的动态参数测试校准技术进展显著。国内在这一领域从事研究的单位主要有：北京航空航天大学、南京理工大学、中国航空长城计量测试技术研究所、中北大学等单位。北京航空航天大学黄俊钦等人在激光负阶跃动态校准方面开展了研究口7 棚；南京理工大学徐强利用火箭发动机的羽焰提供一个高温阶跃变化，对钨一铼和镍铬一镍硅(K 型)两种细丝热电偶的工作频带进行了研究，可为这类热电偶进行动态测量误差补偿提供依据9 J；中国航空长城计量测试技术研究所在利用高温热校准风洞，在高温高速气流测温传感器动态校准方面具有特色1；中北大学在瞬态温度传感器高温动态校准方面做出了一定
26、贡献，研制了瞬态表面温度动态校准系统，可对温度为1 0 0 -1 0 0 0 C，时间常数在1 毫秒至1 秒范围内的测温传感器进行校准，并且在校准的溯源性上进行了积极的探索和实践汹。3 0 1。1 2 2 动态建模的国内外现状建立测试系统的动态数学模型是为了获取其动态特性，进而提出改善系统动态特性、减小动态误差的方法，所以建立正确可靠的动态模型对于测试系统动态测量误差补偿至关重要。在传感器的模型辨识方面，国I 杉 1-都有比较成熟的理论和方法。建立动态数学模型的方法有两大类口幻：一类是分析法，根据系统的工作原理，运用各种物理定理推导出描述系统的数学模型(如代数方程与微分方程等)。这种方法的特点
27、是推导过程清晰，但适用于结构和原理比较简单的传感器，因为在建模过程中一般要对实际情况做较大的假设与简化，且所假设的条件未必符合实际，所以这样建立的模型常常难以反映复杂系统的特性。另一类是系统辨识法，利用系统输入输出的观测数据来建模，这类方法更适用于比较复杂的系统，通过给复杂系统输入一定的动态激励信号，记录下系统对该信号的瞬态响应，运用系统辨识的方法，便可以建立系统的动态数学模型。在有些情况下可以将两种方法结合起来，即运用分析法列出系统的理论数学模型，3中北大学学位论文运用系统辨识法来确定模型中的参数，这样可以得到较好的辨识效果，而且所求得的数学模型的物理意义也比较明确。在第三章中将详细介绍时域
28、系统辨识的建模方法。动态校准系统的激励信号有频域的、时域的，建模方法也分为频域和时域建模方法。另外，近期又发展了基于沃尔什(W a l s h)函数、基于神经网络和模糊数学等建模方法。l、频域建模法频域建模方法是：先由时域瞬态响应经傅立叶变换求出频率响应，然后由频率响应求传递函数。在传感器的动态校准实验中，若校准输入信号中含有的频率成分足够丰富，足以将被校系统所有模态都激发出来，则系统的频率响应函数H(j(o)就等于系统的输出信号与输入信号的傅立叶变换之比。即：叫咖器(1 1)频率响应函数的模和相角分别为系统的幅频特性和相频特性。在实施动态测试前，总要确知测试系统的频率特性，以保证测试系统能满
29、足无失真测量的条件。在不满足无失真测量的条件时，即存在动态测量误差的情况下，可以由系统的频率特性H(j(o)和测量结果信号的频谱Y(j e o)求出被测信号的频谱X(缈)，再利用傅立叶反变换得到被测信号的估计值，即：曼(f)=I F F T Y(j 力)H(j(o)】(1 2)将时域的瞬态响应转化成频域响应求取其参数模型的方法，关键是如何不失真地将时域信号转换成频域信号。而频域修正法两次用到户鼢所以F F 7 所存在的混叠误差、泄漏误差和栅栏效应都会影响算法的精度。2、时域建模法时域建模方法是：以传感器的离散时域校准数据为基础先建立相应的差分方程，经Z 变换后求得离散传递函数，然后由双线性变换
30、或者输出响应不变法可以得到其连续传递函数。许多过程系统和测试系统的动态特性都可以用时域建模方法来获取，对于典型的一、二阶系统通常可以从时域校准响应信号的波形来估算其模型的参数。但对于较复杂的系统，若用低阶系统来描述其动态特性，则误差很大，以至不能表现出系统的动态4中北大学学位论文性能。这就需要用系统辨识的方法建立高阶模型，才能正确描述系统的动态特性。时域建模的方法有很多种，应用最多的是预报误差类方法，包括最小二乘方法，极大似然法，预报误差法等。利用此算法可以对测试曲线进行辨识，然后建立被测系统的数学模型。时域建模的方法是以时域动态性能实验为基础，其应用较频域建模更为广泛。3、其他建模方法近年来
31、，利用沃尔什函数进行传感器的动态建模已有了较多的尝试啪。这种方法以沃尔什函数及其变换为基本工具，直接由传感器的时域离散校准数据经过矩阵运算求出对应的微分方程的系数。与时域和频域的建模方法相比，可以由时域动态校准数据直接得到微分方程或连续传递函数的系数，减少了中间环节，原理清晰，方法简单。引入了沃尔什运算矩阵，积分运算转化为乘积运算，从而将微分方程转化为代数方程。而且在叠加噪声非常大的情况下仍然能够达到较好的辨识效果。基于神经网络的建模方法在许多传感器动态建模中也得到了广泛应用。神经网络具有理论上逼近任意非线性函数的能力，利用它的自学习、自适应能力，神经网络方法可以方便地应用于复杂的非线性系统的
32、建模。神经网络建模的方法一般分为两种：一种是利用多层前馈的静态网络建模；另一种是利用动态递归的神经网络建模。利用静态多层神经网络对动态系统进行辨识，首先必须要假定系统N A R M A(非线性自回归滑动平均)模型类别和模型的阶次；其次随系统阶次的增加，网络结构迅速膨胀，使得学习收敛速度下降；另外，大量的输入节点可能对外部噪声十分敏感。而动态神经网络利用网络内部状态反馈来描述系统的非线性动力学特性，克服了以上缺点，因此能更直接地反映系统的动态特性。神经网络建模方法发展较快，但大多用于非线性系统辨识建模，而一般的测温系统均被认为是线性系统，而且神经网络不能辨识出明确的系统差分方程，所以本论文中没有
33、采用此方法。随着控制理论、计算机控制技术和统计估计理论应用的深入，许多系统辨识的新方法不断出现，并获得了成功的应用1 2 3 传感器动态测量误差补偿国内外研究现状5中北大学学位论文l、测试系统动态测量误差补偿研究背景过去的温度测量系统的研究基本上是在静态或准静态条件下进行的，其性能可以用简单慢速时域特性参数来描述，这对于当前科学研究要求了解测温系统的微观动态过程，特别是对快速变化的瞬态温度动态过程来说，已远远不能满足要求了。必须采用快速时域或频域特性参数来深入描述与记录温度系统的变化过程，提取能描述其动态特性的特征参数。因此，采用现代动态测试技术，快速、准确地记录相关数据，并及时完成实验结果的
34、处理与分析，这样必然会极大地推进动态测试技术的发展啪1。动态测试技术对测量精度的要求越来越高，需要有高性能的传感器进行测量，但由于技术和材料等限制因素，传感器动态性能进一步提高有很大难度，例如薄膜热电偶的薄膜厚度与其动态响应特性密切相关，即f=万2 0 4 6 口，式中f 为动态响应时间常数，万为膜层厚度，口为膜层的导温系数。按照现有的工艺很难再通过减小薄膜厚度达到提高动态特性的目的，而且如果薄膜厚度减小将会影响热电偶的机械强度和测高温的能力。如何利用现有水平的传感器进行动态测试，然后采用动态测量误差补偿技术估计出真实的测量信号成为动态测试技术发展的重点。动态误差补偿技术的含义是：对存在动态误
35、差的测试系统，在后继信号处理中，采取一些特殊的计算处理方法或增加一个补偿环节，以提高系统总的动态特性，达到减小动态误差的目的，也称为动态误差修正或动态特性补偿。动态测量误差补偿可以用硬件实现，也可以把系统的输出信号记录下来再通过软件处理实现，后者又称为动态误差修正。动态测量误差补偿和修正可以在频域对系统的频响特性缺陷进行针对性的补偿称为频域补偿(或修正)；也可以在时域对阶跃响应特性等典型的时域响应的不足之处进行补偿称为时域补偿。这种补偿可以用硬件来实现，也可以用软件来实现，所以动态测量误差补偿方法基本思路有两种：硬件补偿和软件补偿。不同的测试系统或动态误差，所使用的动态误差补偿思想都如上所述，
36、随着科学技术的发展，动态误差补偿技术越来越完善，补偿的效果也逐步提高。2、动态测量误差补偿技术的研究现状和发展趋势6中北大学学位论文动态测量误差补偿技术是从二十世纪六、七十年代迅速发展起来的，在当时的军事、核技术和一些工业领域出现了大量的瞬态信号急需测量，这些瞬变信号变化速度非常快，以至找不到适当的仪器去测量，因而各种补偿技术就应运而生，弥补了仪器方面的不足。但发展这类技术的意义并不在于消极的补救作用，而是给测试系统的设计提供了一些新的观念和思想，拓展了测试的范围，因而获得了迅速的发展。常见的动态误差补偿方法有数值微分法、叠加积分法、频率域修正法、反卷积法以及设计动态补偿数字滤波器等啪棚1。数
37、值微分法根据描述系统输入(被测信号)和输出(测量结果)之间的微分方程，由测量结果恢复出被测信号。这种方法基于系统准确可靠的微分方程，在计算中采用大量数值微分，而且要保证足够的计算精度，所以计算量很大。叠加积分法把被测信号看作许多阶跃信号的叠加，而把测量结果看作这些阶跃信号的响应，从而导出由测量结果恢复被测信号的数学关系。这种方法不用建立测量系统的动态数学模型，但计算量比较大。频率域修正法t 了t 醍t 试系统的频率特性H(j c o)和测试结果信号的频谱】，(缈)求出被测信号的频谱X(j c o)，再利用傅立叶反变换得到被测信号的估计值。该方法在求H(j c o)“时，会遇到混迭误差、泄漏误差
38、及栅栏效应的影响，并由于在全频率范围内计算输入信号，使得计算结果易受高频噪声的影响。在理论上，频率域修正法相当于具有动态误差的输出信号J，(幻经过传递函数为l 以0 的补偿环节，使被补偿后的等效系统成为理想系统，从而使输入信号得到了无失真的传输。实际应用中，这种方法成功应用的前提除了H(j o)和Y(j c o)间的计算要十分准确外，还要求测试系统的噪声可忽略不计。而实际的测量信号中不可避免地含有测量噪声，它通过1 H(肋)的补偿滤波器后将成倍放大，以致补偿后的输出信号信噪比大大降低，如果H(j c o)中存在零点，则补偿滤波器足不可用的。设计动态误差补偿滤波器的方法是：以辨识建模得到的模型为
39、依据，设计出一种动态测量误差补偿滤波器，与原来的传感器系统相串联，使级联补偿器后系统总的动态性能满足使用要求，提高了系统的工作频带和响应速度。黄俊钦教授提出了一种在时域内设计动态滤波器的方法：零极点配置法，对于带单片机处理器或计算机的测试系统，采用动态误差补偿数字滤波器来改善系统的动态性能比较有利m 1。7中北大学学位论文反卷积(反滤波)法就是在系统的输入和输出信号以及脉冲响应序列中，若已知脉冲响应序列和输出信号而求输入信号。在时域可表示为：z(=y(肋(1 术)力(功(1 3)其中(1*)表示反卷积运算，力(而为系统的脉冲响应。测量得到的信号是已经过力(而后的失真信号，现在要利用已知的y(力
40、)和办(功恢复输入端的原始信号x(刀)。文献 4 1 中对传感器预处理器的研究，在信号处理电路中带有处理器时，这种时域反卷积计算非常容易，可达到在线补偿的目的。总之，动态测量误差补偿技术的发展很快，虽然理论上还没形成统一、完整的体系，还有许多问题有待于深入探讨，但已经出现了多种有效的补偿方法，并取得了较好的补偿效果。1 3 论文研究内容本文对传感器动态测量误差补偿技术，小波滤波和动态建模方法进行了分析，并利用软件仿真研究补偿算法的有效性。根据激励信号要求，针对瞬态表面温度传感器设计了动态校准系统，进行了动态校准，利用校准数据建立了动态数学模型，分析了系统的动态特性。最后，选择反滤波动态误差补偿
41、方法对传感器进行动态误差补偿，并比较补偿结果和真实结果之间的符合程度。论文共分五章，根据论文各章节的顺序，具体研究内容安排如下：第一章介绍课题研究的背景、目的和意义，综述瞬态表面温度测量、动态校准、动态建模以及动态测量误差补偿技术的国内外发展现状，表明瞬态温度测试技术已经引起人们的重视，指出温度传感器动态建模和动态误差补偿技术的重要意义，确定了论文研究的方向。第二章首先介绍了动态特性研究的意义。然后分析了动态误差产生的原因及其特点，并利用M a t l a b 仿真分析了温度传感器动态误差特性及其产生原因。然后详细介绍了小波滤波的方法，重点对小波阈值滤波法的阈值选取进行分析，选取阈值的方法决定
42、滤波的效果，文中利用M a t l a b 软件对不同阈值的滤波效果进行比较，选取最终的阈值方法。第三章本章介绍了本论文中所采用的系统辨识动态建模方法。最后简要介绍了纳8中北大学学位论文曼(N a h m a n)与盖劳姆(G u i l l a u m e)博士共同提出的单参数反滤波器的形式。第四章利用实验室现有的表面温度传感器动态校准系统，实现对瞬态表面温度传感器的可溯源动态校准。然后，根据动态校准实验数据，通过第三章选取的滤波方法进行滤波，重构信号，再采用系统辨识方法建立传感器动态数学模型，并分析系统的动态特性。最后，根据动态模型，采用反滤波动态误差补偿方法实现对传感器的动态测量误差补偿
43、，验证了动态误差补偿的效果。第五章结论，总结论文的主要工作和创新点，并对下一步工作做出展望。9中北大学学位论文第二章温度传感器动态特性及小波滤波2 1 传感器动态特性分析传感器的动态性能对于系统特性分析、测试系统设计以及传感器的选取十分重要。传感器是一个测试系统中的核心器件，直接敏感地接收测量信息，在多数情况下，被测信息的第一次传输与转换都是由传感器完成的。由于被测信号大多是非电量，完成这种传输与转换要比传输与转换电信号困难得多，传感器的性能对于整个测试系统至关重要。根据被测量是否随时间变化，传感器表现出两种特性：静态特性和动态特性。目前，国内外对于传感器静态特性的研究己经比较深入和全面，由于
44、静态校准设备比较普遍，如温度传感器静态校准的设备主要有黑体炉、标准温度灯、恒温槽、干体校验仪等；对压力传感器进行静态校准的设备有活塞式压力计、麦氏真空计、水银压力计和油压标定机等。各种传感器的说明书中，一般都标注静态性能指标，而对动态特性研究较少。国内在此方面更为落后，主要原因是：(1)受实验设备的限制，有些传感器生产厂家不具备动态标定设备，产品使用说明书中尚无动态性能指标；(2)动态校准技术发展滞后，标准未统一；(3)没有意识到动态特性的重要性，有些产品不给出动态性能指标，有些情况甚至静态标定结果动态使用。这些情况不能满足动态测量的实际需要，给动态测试领域提出了一个严峻的问题。随着科学技术的
45、发展，需要进行动态测量的领域愈来愈多。例如，航空、航天飞行器某些部件的瞬变温度和压力的测量；物体在装卸时或运动中称重；液压控制系统的瞬态压力测量；枪炮的膛内压力和瞬态温度；发动机爆震压力的测量；血管脉动流量的快速测量等等。人们希望能更深入、定量地了解动态过程中各种参数的实际变化情况，以便更好地利用这些参数，以推动动态测量技术的发展。测试系统的动态特性主要取决于传感器的动态特性，也可以说传感器是影响整个系统动态特性的关键环节。若传感器的动态性能不佳，就无法快速、无失真地再现被测动态信号随时问变化的规律，无法为其后面系统提供准确的信息，将带来较大的动态误差，传感器的动态特性直接影响测试系统功能的发
46、挥。l O中北大学学位论文设某个传感器的幅频特性如图2 1 所示，当被测信号的频率，时，输入和输出信号幅频特性是线性关系，传感器可以准确地反映被测量的变化；当，时，输出信号接近于零，传感器无法反映被测量的变化，测量结果没有意义。通常意义下的动态测量，也就是根据被测信号的特点，使被测信号各频率分量处于传感器系统幅频特性的平直段。所以，首先需要对传感器的动态特性进行研究，求出其特性指标，确定其是否(a)原始系统图2 2 系统动态测量误差补偿原理通过对传感器动态性能的研究，可解决动态测量的关键问题，使各种传感器都具有明确的动态性能指标，满足科学研究、产品开发和工程实际应用中对动态测量的要求。传感器的
47、动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性，通常用动态数学模型来描述。通过机理分析或系统辨识求得动态数学模型，利用数学模型分析动态性能指标；然后，可以利用传感器的数学模型研究动态误差补偿的方法，改善测试系统的动态特性。动态建模和动态误差补偿技术是传感器动态特性研究中的关键问题，近年来，随着材料、数字信号处理、微处理、自动化等技术的发展，辨识建模及动态误差补偿技术得到更为普遍的应用。中北大学学位论文2 2 传感器动态误差产生原因及影响2 2 1 动态误差的定义动态误差又称动态响应误差，是动态测试中固有的一种测试误差，是由于测试系统的非理想传输特性引起的被测信号波形畸变。在动态测量中，传感
48、器的输出y(力和被测信号j(幻满足下列关系：y(t)=,4 0 x(t r)(2 1)式中么和f 都是常数，这时系统是无失真系统。测得的信号y(力直接再现了被测信号并(幻。对上式取傅氏变换，求得频域响应特性：叫咖器嘶巾7(2 2)因此，无失真传输系统的条件是：j 紫篓箜譬1 日(缈)I=4(2 3)I 相频特性(p(j c o)=一(O f、但从系统可实现的“P a l e y W i n e r 准则看出，由于e 1 日(国)l d 缈专，故该系统在物理上是不可实现的啪3。实际的传感器的频率特性为以(国)，则此时测试系统的测量误差为：P(f)=I F F T (H(j c o)-H,(j c
49、 o)X(j c o)】(2 4)动态误差的特性：(1)动态误差是绝对存在的，且随时间而变化，只能减小，而不能完全消除；(2)动态误差既与传感器的固有特性慰(甜)有关，也与被测温度的频谱从)有关。这意味着用响应特性不同的传感器测试同一温度时，产生的误差是不同的，同一传感器测试不同温度时，产生的误差也不相同。动态误差是动态测试中应该首先考虑的一个问题。测量不可避免地存在误差，测量结果不可能准确地等于被测量的真值，因此测量的目的是为了求得被测量真值的逼近值。动态误差在频域表现为：传感器以及整个测量系统的频响范围总是有限的，工作频1 2中北大学学位论文带不能覆盖被测信号中的全部频率分量，由于幅频特性
50、不平坦，因而被测信号中的各次谐波，有的被放大，有的被衰减。又由于相频特性不是理想的直线，使得输入信号中不同频率成分通过测量系统时受到不同程度的衰减和延迟。动态误差在时域表现为：传感器的响应时间太长，不能正确反映输入信号的快速变化，从而造成测出的输出信号与被测信号之间存在着波形畸变，这种畸变虽然可算是一种系统误差，但它与静态测量中的系统误差不同，不能用一个修正系数去修正。因为畸变发生在整个曲线上，即整个曲线的波形都发生了畸变；其次是由于这种畸变与被测信号本身的波形有关，即与被测信号的频谱有关，而被测信号往往事先并不可知，需要通过测试系统测量，所以测试结果中动态误差P(幻究竟有多大，很难判断，至今