一种传感器信息动态融合优化实验平台及实验方法与流程

本发明涉及一种传感器信息动态融合优化实验平台及实验方法，属于传感器信息优化技术领域。

背景技术：

在大规模传感器应用的场合，考虑到成本因素，往往使用价格较低的传感器以及多维传感器，以较低的成本、较少的设备完成较多的测量任务。但是低成本的一维或多维传感器的动态特性不理想，测量精度较低。因此需要对低成本传感器的测量信息进行优化，以提高测量的精度和动态性能。

为实现这个目的，需要构造专门的实验平台，将高精度的一维传感器的测量信息与低成本的一维或多维传感器的测量信息进行动态融合，构造动态融合优化模块，对低成本传感器进行优化，提高低成本传感器的测量性能。

目前现有的实验平台，无法实现传感器激励、信息采集、动态融合优化模块训练、动态融合优化测试一体化的功能。为此，专门设计了本实验平台，以提高效率，简化传感器信息动态优化的实验过程。

技术实现要素：

为了解决上述实验过程的不足，本发明提供了一种传感器信息动态融合优化实验平台及实验方法。

本发明的实验平台技术方案为：一种传感器信息动态融合优化实验平台，实验平台由计算机(1)，信号输出卡(21)，信号输出接线盒(22)，信号采集卡(31)，信号采集接线盒(32)，功率放大器，激振器，设备固装台(6)组成；

信号输出卡(21)和信号采集卡(31)安装于计算机(1)中，信号输出卡(21)与信号输出接线盒(22)相连，信号采集卡(31)与信号采集接线盒(32)相连；

信号输出接线盒(22)的电压输出通道连接功率放大器的电压输入通道，功率放大器的功率输出通道连接激振器；信号采集接线盒(32)的应变力采集通道连接高精度一维传感器和n维传感器，高精度一维传感器机械连接激振器；

该实验平台进行低精度一维传感器信息动态融合优化实验时，所述n维传感器为低精度一维传感器，该实验平台进行二维传感器信息动态融合优化实验时，所述n维传感器为二维传感器，该实验平台进行三维传感器信息动态融合优化实验时，所述n维传感器为三维传感器(7)。

进一步，该实验平台进行低精度一维传感器信息动态融合优化实验时，使用信号输出接线盒(22)的一个电压输出通道连接一个功率放大器，功率放大器的功率输出通道连接一个激振器；信号采集接线盒(32)的两个应变力采集通道连接一个高精度一维传感器和一个低精度一维传感器，高精度一维传感器通过细金属杆固定于一个激振器，一个高精度一维传感器通过受力块固定于低精度一维传感器的x方向，低精度一维传感器固定于三角斗(642)上，低精度一维传感器的固定位置可上下调节。

进一步，该实验平台进行二维传感器信息动态融合优化实验时，使用信号输出接线盒(22)的两个电压输出通道连接两个功率放大器，两个功率放大器的功率输出通道连接两个激振器；信号采集接线盒(32)的四个应变力采集通道连接两个高精度一维传感器和一个二维传感器，两个高精度一维传感器通过细金属杆固定于两个激振器，两个高精度一维传感器通过受力块固定于二维传感器互相垂直的x、y方向，二维传感器固定于三角斗(642)上，二维传感器的固定位置可上下调节。

进一步，该实验平台进行三维传感器信息动态融合优化实验时，信号输出接线盒(22)的第一个电压输出通道连接第一个功率放大器(41)的电压输入通道，第一个功率放大器(41)的功率输出通道连接第一个激振器(51)；信号输出接线盒(22)的第二个电压输出通道连接第二个功率放大器(42)的电压输入通道，第二个功率放大器(42)的功率输出通道连接第二个激振器(52)；信号输出接线盒(22)的第三个电压输出通道连接第三个功率放大器(43)的电压输入通道，第三个功率放大器(43)的功率输出通道连接第三个激振器(53)；信号采集接线盒(32)的第一个应变力采集通道(i1)连接第一个高精度一维传感器(81)，信号采集接线盒(32)的第二个应变力采集通道(i2)连接第二个高精度一维传感器(82)，信号采集接线盒(32)的第三个应变力采集通道(i3)连接第三个高精度一维传感器(83)；信号采集接线盒(32)的第四个应变力采集通道(i4)、第五个应变力采集通道(i5)、第六个应变力采集通道(i6)连接三维传感器(7)；

三维传感器(7)固定于三角斗(642)上，三维传感器(7)的固定位置可上下调节，第一个高精度一维传感器(81)通过三维传感器(7)上的受力块(71)固定于三维传感器(7)的x方向，第二个高精度一维传感器(82)通过三维传感器(7)上的受力块(71)固定于三维传感器(7)的y方向，第三个高精度一维传感器(83)通过三维传感器(7)上的受力块(71)固定于三维传感器(7)的z方向，x、y、z三个方向互相垂直；第一个高精度一维传感器(81)通过细金属杆固定于第一个激振器(51)，第二个高精度一维传感器(82)通过细金属杆固定于第二个激振器(52)，第三个高精度一维传感器(83)通过细金属杆固定于第三个激振器(53)。

进一步，设备固装台(6)包括第一个底座(611)及其上面的第一个激振器平台(612)、第二个底座(621)及其上面的第二个激振器平台(622)、第三个底座(631)、第四个底座(641)及其上面的三角斗(642)；

所述设备固装台(6)还包括第一个连接条(651)、第二个连接条(652)、第三个连接条(653)、第四个连接条(654)；

第一个连接条(651)通过两对t型螺丝与螺母连接第一横向t型槽(614)和第一纵向t型槽(624)，实现第一个底座(611)与第二个底座(621)的相对位置的调节与固定；

第二个连接条(652)通过两对t型螺丝与螺母连接第二纵向t型槽(623)和第二横向t型槽(644)，实现第二个底座(621)与第四个底座(641)的相对位置的调节与固定；

第三个连接条(653)通过两对t型螺丝与螺母连接第三纵向t型槽(634)和第三横向t型槽(613)，实现第三个底座(631)与第一个底座(611)的相对位置的调节与固定；

第四个连接条(654)通过两对t型螺丝与螺母连接第四横向t型槽(643)和第四纵向t型槽(633)，实现第四个底座(641)与第三个底座(631)的相对位置的调节与固定。

进一步，第一个激振器(51)设置在第一个激振器平台(612)上，第一个激振器平台(612)焊接于第一个底座(611)上；第二个激振器(52)设置在第二个激振器平台(622)上，第二个激振器平台(622)焊接于第二个底座(621)上；第三个激振器(53)设置在第三个底座(631)上，第四个底座(641)上焊接有三角斗(642)。

本发明的一种传感器信息动态融合优化实验平台的实验方法，实验过程包含以下步骤：

第一步，计算机(1)输出啁啾信号到信号输出卡(21)，并转换为模拟信号通过信号输出接线盒(22)的电压输出通道，然后输入到功率放大器；

第二步，功率放大器把接收到的信号放大为功率输出，并输入到激振器；

第三步，激振器开始振动，并向高精度一维传感器输出力的信号；

第四步，高精度一维传感器把受力信号通过内部的电桥电路转换为电压信号传送到信号采集接线盒(32)的应变力采集通道，并通过受力块(71)把力信号传送到n维传感器；n维传感器检测到的力通过内部的电桥电路转换为电压信号传送到信号采集接线盒(32)的应变力采集通道；

第五步，信号采集接线盒(32)把应变力采集通道采集到的信号传送给信号采集卡(31)，信号采集卡(31)把接收到的信号转换为数字信号输入到计算机(1)；

第六步，计算机(1)通过信号采集接线盒(32)的应变力采集通道获得的n维传感器检测到的力信号和高精度一维传感器检测到的力信号，并采用数据驱动方法训练一个传感器信息动态融合优化模块；

第七步，将高精度一维传感器从n维传感器的受力块(71)上拆除，将外加作用力通过连杆等方式直接作用于受力块(71)，即可通过计算机的传感器信息动态融合优化模块实现外加作用力的精确测量。

有益效果：本发明的目的是提供一种高效的集激励、信息采集、训练、测试为一体的传感器信息动态融合优化实验平台及实验方法。基于本实验平台的信息动态融合优化，可使低成本低精度的一维或多维传感器的性能得到明显提高，极大降低大规模传感器应用场合(如桥梁安全监测)的使用成本。

本发明使用信号输出接线盒输出信号，使用信号采集接线盒采集传感器信号，可避免外接线错误等问题对信号输出卡、信号采集卡以及计算机造成的冲击和损坏。本发明采用啁啾信号(即正弦扫频信号)激励传感器，既能保证输出信号包含丰富的频谱，达到充分激励传感器的目的，又能避免白噪声等高频信号可能造成的输出电流过大，导致功率放大器和激振器损坏的问题，提高实验平台的可靠性，延长实验平台的使用寿命。

本发明可适用于不同维数、不同尺寸传感器的优化，实验平台可根据传感器的维数和尺寸进行灵活调整。本发明的设备固装台设计可保证进行不同维数、不同尺寸的传感器实验时，均能牢固安装到位。本发明对使用环境要求低，实验平台无需额外固定装置，只需实验台面稳固平整，实验即可顺利进行。

附图说明

图1为本发明所述的传感器信息动态融合优化实验平台的实施例结构图。

图2为设备固装台的顶视图。

具体实施方式

本发明的一种传感器信息动态融合优化实验平台由计算机1，信号输出卡21，信号输出接线盒22，信号采集卡31，信号采集接线盒32，功率放大器，激振器，设备固装台6组成；信号输出卡21和信号采集卡31安装于计算机1中，信号输出卡21与信号输出接线盒22相连，信号采集卡31与信号采集接线盒32相连；信号输出接线盒22的电压输出通道连接功率放大器的电压输入通道，功率放大器的功率输出通道连接激振器；信号采集接线盒32的应变力采集通道连接高精度一维传感器和n维传感器，高精度一维传感器机械连接激振器；

该实验平台进行低精度一维传感器信息动态融合优化实验时，所述n维传感器为低精度一维传感器，该实验平台进行二维传感器信息动态融合优化实验时，所述n维传感器为二维传感器，该实验平台进行三维传感器信息动态融合优化实验时，所述n维传感器为三维传感器7。

上述实验平台的实验方法包含以下步骤：

第一步，计算机1输出啁啾信号到信号输出卡21，并转换为模拟信号通过信号输出接线盒22的电压输出通道，然后输入到功率放大器；

第二步，功率放大器把接收到的信号放大为功率输出，并输入到激振器；

第三步，激振器开始振动，并向高精度一维传感器输出力的信号；

第四步，高精度一维传感器把受力信号通过内部的电桥电路转换为电压信号传送到信号采集接线盒32的应变力采集通道，并通过受力块71把力信号传送到n维传感器；n维传感器检测到的力通过内部的电桥电路转换为电压信号传送到信号采集接线盒32的应变力采集通道；

第五步，信号采集接线盒32把应变力采集通道采集到的信号传送给信号采集卡31，信号采集卡31把接收到的信号转换为数字信号输入到计算机1；

第六步，计算机1通过信号采集接线盒32的应变力采集通道获得的n维传感器检测到的力信号和高精度一维传感器检测到的力信号，并采用数据驱动方法训练一个传感器信息动态融合优化模块；

第七步，将高精度一维传感器从n维传感器的受力块71上拆除，将外加作用力通过连杆等方式直接作用于受力块71，即可通过计算机的传感器信息动态融合优化模块实现外加作用力的精确测量。

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明由计算机1，信号输出卡21，信号输出接线盒22，信号采集卡31，信号采集接线盒32，功率放大器41、42、43，激振器51、52、53，设备固装台6组成。信号输出卡21和信号采集卡31安装于计算机1中，信号输出卡21与信号输出接线盒22相连，信号采集卡31与信号采集接线盒32相连；信号输出接线盒22的电压输出通道o1连接功率放大器41的电压输入通道，功率放大器41的功率输出通道po1连接激振器51；信号输出接线盒22的电压输出通道o2连接功率放大器42的电压输入通道，功率放大器42的功率输出通道po2连接激振器52；信号输出接线盒22的电压输出通道o3连接功率放大器43的电压输入通道，功率放大器43的功率输出通道po3连接激振器53。高精度一维传感器81连接信号采集接线盒32的应变力采集通道i1，高精度一维传感器82连接信号采集接线盒32的应变力采集通道i2，高精度一维传感器83连接信号采集接线盒32的应变力采集通道i3；三维传感器7连接信号采集接线盒32的应变力采集通道i4、i5、i6。

设备固装台6按照图2方式连接，激振器平台612焊接于底座611上，激振器平台622焊接于底座621上，三角斗642焊接于底座641上。连接条651通过t型螺丝与螺母6511和t型螺丝与螺母6512，连接横向t型槽614和纵向t型槽624，实现底座611与底座621的相对位置的调节与固定；连接条652通过t型螺丝与螺母6521和t型螺丝与螺母6522，连接纵向t型槽623和横向t型槽644，实现底座621与底座641的相对位置的调节与固定；连接条653通过t型螺丝与螺母6531和t型螺丝与螺母6532，连接纵向t型槽634和横向t型槽613，实现底座631与底座611的相对位置的调节与固定；连接条654通过t型螺丝与螺母6541和t型螺丝与螺母6542，连接横向t型槽643和纵向t型槽633，实现底座641与底座631的相对位置的调节与固定。

进行实验时，三维学传感器7固定于三角斗642上，三维传感器7的固定位置可上下调节，高精度一维传感器81通过三维传感器7上的受力块71固定于三维传感器7的x方向，高精度一维传感器82通过三维传感器7上的受力块71固定于三维传感器7的y方向，高精度一维传感器83通过三维传感器7上的受力块71固定于三维传感器7的z方向，x、y、z三个方向互相垂直。高精度一维传感器81通过细金属杆固定于激振器51，高精度一维传感器82通过细金属杆固定于激振器52，高精度一维传感器83通过细金属杆固定于激振器53。

本实施例的传感器信息动态融合优化实验平台的实验过程包含以下步骤：

第一步，计算机1输出啁啾信号到信号输出卡21，并转换为模拟信号通过信号输出接线盒22的三个电压输出通道o1、o2、o3分别输入到三个功率放大器41、42、43；

第二步，功率放大器41、42、43把接收到的信号放大为功率输出，并分别输入到激振器51、52、53；

第三步，三个激振器51、52、53开始振动，并分别向三个高精度一维传感器81、82、83输出力的信号；

第四步，三个高精度一维传感器把受力信号通过内部的电桥电路转换为三个电压信号传送到信号采集接线盒32的i1、i2、i3应变力采集通道，并通过受力块71把力信号传送到三维传感器7的x维、y维、z维；三维传感器的x维、y维、z维检测到的力通过内部的电桥电路转换为电压信号传送到信号采集接线盒32的i4、i5、i6应变力采集通道；

第五步，信号采集接线盒32把i1、i2、i3、i4、i5、i6通道采集到的6个信号传送给信号采集卡31，信号采集卡31把接收到的6个信号转换为数字信号输入到计算机1；

第六步，计算机1通过信号采集接线盒32的i4、i5、i6应变力采集道获得的三维传感器7的x维、y维、z维检测到的力信号，通过信号采集接线盒32的i1、i2、i3应变力采集通道获得的三个高精度一维传感器检测到的力信号，采用数据驱动方法训练一个传感器信息动态融合优化模块；计算机采用的数据驱动方法中，可采用神经网络或支持向量机构造动态融合优化模块中的静态环节，可采用微分器或延时器构造动态融合优化模块中的动态环节；

第七步，将三个高精度一维传感器81、82、83从三维传感器7的受力块71上拆除，将外加作用力通过连杆等方式直接作用于受力块71，即可通过计算机的传感器信息动态融合优化模块实现外加作用力的精确测量；动态融合优化模块可用dsp或arm实现，并嵌入三维传感器，构成带嵌入式动态融合优化模块的三维传感器。

本发明的传感器信息动态融合优化实验平台，也可进行二维传感器或低精度一维传感器的动态融合优化实验；进行二维传感器信息动态融合优化实验时，使用信号采集接线盒32的四个应变力采集通道，信号输出接线盒22的两个电压输出通道，两个功率放大器，两个激振器；二维传感器固定于三角斗642，两个高精度一维传感器通过受力块固定于二维传感器互相垂直的x、y方向，两个高精度一维传感器分别通过细金属杆固定于一个激振器；进行低精度一维传感器信息动态融合优化实验时，使用信号采集接线盒32的两个应变力采集通道，信号输出接线盒22的一个电压输出通道，一个功率放大器，一个激振器；低精度一维传感器固定于三角斗642，一个高精度一维传感器通过受力块固定于低精度一维传感器的x方向，一个高精度一维传感器通过细金属杆固定于一个激振器。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。