基于数据融合的微型电子测压器动态校准方法

王 卿,祖 静,张 瑜

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

基于数据融合的微型电子测压器动态校准方法

王 卿1,2,祖 静1,2,张 瑜1,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原 030051;

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

静态校准、落锤冲击校准等常规的校准方法不能满足微型电子测压器测试精度要求。为确保其在高温、高压和高冲击的实测环境中的测试精度,根据新概念动态测试和数据融合理论,从动态校准系统的组成及工作原理、基于自适应加权数据融合的“虚拟”标准测试系统的建立和基于相关性数据融合的测压器动态灵敏度的计算3个方面介绍了基于数据融合的微型电子测压器动态校准方法。多次测试的试验结果表明,利用该方法校准后的微型电子测压器的可靠性和测试精度均能满足测试要求,从而验证了此方法的可行性和合理性。

仪器仪表技术;压力测试;动态校准;数据融合

膛压测试技术的发展对火炮系统的发展起着举足轻重的作用,由中北大学研制的电子测压器自投入使用以来,一直是测试火炮膛压的理想仪器。由于其测试时处于高温、高压和高冲击的恶劣环境中,动态特性随时可能会发生变化[1-2],影响测试精度,而静态校准、落锤冲击校准等常规的校准方法不能满足其精度要求,因此很有必要研究和改进微型电子测压器动态校准方法。本文简要介绍了微型电子测压器动态校准系统的组成及工作原理和基于数据融合的数据处理,并对计算得到的数据和实际测试得到的数据进行了对比分析,从而验证了此动态校准方法的可行性和合理性。

1 动态校准系统的组成及工作原理

此动态校准系统主要由能承受800 MPa高压和2 000℃高温的模拟膛压发生器、标准传感器、电荷放大器、多通道数据采集系统和数据处理系统组成,如图1所示。

在模拟膛压发生器端部与电子测压器相对的端盖上安装3个经过溯源性校准的标准测压系统传感器,校准时把模拟膛压发生器中的发射药点燃,产生的模拟膛压同时作用在标准传感器和被校准电子测压器上。标准传感器与电子测压器同时采集信号,信号记录完后,由计算机读出测压器数据,把测压器数据和标准系统数据一起进行数据处理,得到被校准测压器的动态灵敏度系数。

2 数据处理

2.1 基于自适应加权数据融合的“虚拟”标准测试系统的建立

利用3套标准测试系统进行数据融合处理,可以消除单套标准测试系统检测的不确定性,提高整个系统的可靠性,有利于建立更真实的“虚拟”标准测试系统[3]。

假设3套标准测试系统测得的信息集合为x=(x1,x2,x3),其权值分别为 p1,p2,p3,则其加权融合模型如图2所示。

由于权值p与相关程度(即相关函数的能量)成正比[4-6],融合后“虚拟”标准测试系统的值为:

并且有:

总均方误差为:

式中:σ2为各加权因子pi(i=1,2,3)的多元二次函数。

根据多元函数求极值理论,求出当加权因子为:

被测参数的真值可以根据已有的测量数据的算术平均值来进行估计。设:

标准传感器与电荷放大器一一配备在某研究所用超高压活塞式压力计标准装置进行了溯源性校准,3套标准测试系统结构及安装位置如图1所示,其检定结果如表1所示,其中单套系统的总误差由式(10)得到,且其满量程(FS)为600 MPa。

表1 溯源性校准3套标准测试系统后的数据Tab.1 Datas from retroactively calibrated three standard testing systems

将表1中数据代入式(9),可得“虚拟”标准测试系统的总误差为:

按国军标要求,标准测试系统的不确定度应不超过被校准测压器不确定度的1/3。微型电子测压器的系统误差要求小于2%FS,故标准测试系统的误差应小于0.67%FS,此“虚拟”标准测试系统满足此要求。由此建立了作为微型电子测压器动态校准基础的“虚拟”标准测试系统。

2.2 基于相关性数据融合的测压器动态灵敏度的计算

假设“虚拟”标准测试系统测得的压力-时间曲线为 Pi(ti),测压器测得的比特-时间曲线为xi(ti)。将它们画在同一直角坐标系下,可以看到二者在时序上有一定的间隔,如图3所示。

pi(ti)与xi(ti)的相关系数为:

把pi(ti)作为基准曲线,逐点平移xi(ti),根据式(12)找到两数据序列的最大相关系数,要求其不小于0.999 7,否则“虚拟”标准测试系统数据视为无效数据。由于能量越大,相关程度越大,即此时两组数据序列具有最小的能量误差[7],“虚拟”标准测试系统数据和测压器数据失真最小。

假设xi(ti)向右平移j个点后为xi(ti+j),此时pi(ti)与xi(ti+j)的相关系数最大,且不小于0.999 7。在pi(ti)的上升沿按峰值压力的15%～100%范围内取n个数据点,构成数据序列y(i),i=1～n;对应在电子测压器测试曲线xi(ti+j)的上升沿取n个数据点,构成数据序列x(i),i=1～n,再用最小二乘法线性拟合得到一个特性方程y=a·x+b。为了消除测试系统的重复性误差,每种温度环境下需重复3次试验。然后把3次得到的数据组融合在一起,再用最小二乘法线性拟合,最终得到此测压器在此温度环境下的特性方程:

式中:a0为测压器动态灵敏度系数;b0为补偿系数。

同枚测压器必须经过常温(+25℃)、低温(-40℃)和高温(+55℃)三种温度环境下的动态校准。常温下1#和6#测压器静态校准和动态校准所得数据及精度对比见表2和表3。其中静态灵敏度为电路灵敏度与传感器灵敏度比值的绝对值,且1 PC(皮库仑)=1012C,1 bar=0.1 MPa。

表2 常温下1#和6#测压器静态校准和动态校准所得数据Tab.2 Datas fromstatic calibration and dynamic calibration of 1#and 6#piezo gauges at normal temperature

表3 常温下1#和6#测压器静态校准和动态校准精度对比Tab.3 Comparation of precision for static calibration and dynamic calibration of 1#and 6#piezogauges at normal temperature

3 数据分析

从表3可知,静态校准比动态校准有较大的数据散布,无法满足测试系统精度要求。而动态校准的数据散布较小,精度较高。比较而言,6#测压器较1#测压器数据散布更小,测试精度更高。整体而言,除个别情况外,测压器测得压力峰值一般要比标准压力峰值稍大,但其绝对误差相对于其峰值而言是允许的,甚至是可以被忽略的。

4 结束语

在火炮膛压测试的过程中,为克服高温、高压和高冲击的恶劣环境对微型电子测压器动态特性的影响,提高其测试精度,本文从动态校准系统的组成及工作原理、基于自适应加权数据融合的“虚拟”标准测试系统的建立和基于相关性数据融合的测压器动态灵敏度的计算3个方面,探讨了基于数据融合的微型电子测压器动态校准方法。该方法在保证校准精度的同时,有效减少了校准试验的次数,大大节约了人力、物力和财力,并有效缩短了校准周期。多次实测试验结果表明,利用该方法校准后的微型电子测压器的可靠性和测试精度均能满足测试要求。

References)

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ZU Jing,ZHANG Zhi-jie,PEI Dong-xing,et al.New concept dynamic test[J].Journal of Test and Measurement Technology,2004,18(z6):1-4.(in Chinese)

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Dynamic Calibration Method of Micro Electronic Piezo Gauge Based on Data Fusion

WANG Qing1,2,ZU Jing1,2,ZHANG Yu1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory,North University of China,
Taiyuan 030051,Shanxi,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China)

Conventional calibration methods(such as static calibration,drop weight test calibration and so on)couldn't meet the requirements of test accuracy of micro electronic piezo gauge.To guarantee their test precision under the conditions of high temperature,high pressure and high impact,according to the new concept theory of dynamic test and data fusion,dynamic calibration method of micro electronic piezo gauge based on data fusion was presented from following three aspects:composition and working principle of the dynamic calibration system,establishment of virtual standard test system based on self-adapting weighted data fusion and calculation of dynamic sensitivity based on relativity data fusion.Results obtained from many practical tests showed that both reliability and precision of micro electronic piezo gauge calibrated by use of this method can meet test requirements,and thus verify the feasibility and rationality of the method.

technology of instrument and meter;pressure test;dynamic calibration;data fusion

TH823.+2;TM930.12

A

1673-6524(2010)04-0051-04

2010-03-11;

2010-04-08

国家重点实验室基金(9140C120704070C12)

王卿 (1984-),男,硕士研究生,主要从事动态测试与智能仪器研究。E-mail:wq5551291@sina.com.cn