一种航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法与流程

本发明属于航天火工品发火测试领域，涉及一种基于PCA算法和历史测量数据分析得到发火测试中压力传感器漂移特征方法，然后根据实测数据将漂移进行校正。

背景技术：

火工品是指能够引燃、引爆或提供动力源的一种元件和装置,它是武器弹药、人造卫星、宇宙飞船、火箭、以及民用爆破、火药动力装置等点火元件最为关键的元件之一。火工品设计、研制和大批量生产都离不开实验与测试。到目前为止，火工品的设计在很大程度上仍依赖于经验，为了评价火工品性能的优劣，除必要的质量检验外，最终还要靠实验和测试结果来确定。通过实验与测试，获得各种测试参数和数据，以此确定所设计、研制和生产的产品性能是否达到规定的各项指标。

P-t曲线是火工品测试实验中很重要的一个指标，根据P-t曲线可以算出开始建压时间，峰值压力，峰值压力时间、最大上升速率、准静压、形状积分等参数，从而推断产品质量的优劣。应变法是一种比较常用的测量P-t曲线的方法，该方法使用应变式压力传感器来测量密闭有限空间中气压随时间的变化情况。该方法具有系统频响较慢，价格便宜，容易标定的特点。对那些压力上升时间较慢、压力持续时间较长的点火具或传火具而言，选用应变法测量系统测量压力时间曲线具有很好的经济性。

应变式压力传感器是应变法最关键的器件，其稳定可靠性是决定测试实验成败的关键。为了增强传感器的可靠性，目前常用方法是在测试实验之前使用压力标定装置检验传感器的线性度，当传感器线性度达标后才使用该传感器进行发火测试。

但是，在测试过程中压力传感器仍存在一些问题：

(1)传感器标定是在一个相对稳定的环境下进行的，而真实的爆炸测试环境则极其恶劣，随着测试次数的增加，爆炸产生的碎片会引起应变式传感器表面膜片的变形，从而导致传感器线性度下降，影响测量参数的准确性；

(2)爆炸测试时会产生大量的热量，使密闭空间的温度急剧上升，从而导致应变式传感器测量时的温度漂移，这种现象是无法用标定来改善的。

PCA(Principal Component Analysis)是一种常用的数据分析方法。PCA通过线性变换将原始数据变换为一组各维度线性无关的表示，可用于提取数据的主要特征分量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法。该方法利用PCA分析出历史测量数据的主特征，通过统计大量的测试样本可以发现主特征不是一个固定值，而是分布在一个区域内，正是应变式压力传感器的漂移导致主特征的这种不确定性。在测量新数据时，可以利用历史数据得到的主特征分布区域来校正传感器漂移带来的误差，提高发火测试实验数据的准确性和可靠性。

航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法，它包含以下步骤：

步骤一：从数据库获取历史测试数据的P-t曲线，然后分析P-t曲线得到各个表征火工品质量的特征参数，如：开始建压时间，峰值压力，峰值压力时间、最大上升速率、准静压等传统特征参数，以及本发明采用的P-t曲线零中心归一化瞬时幅度的频谱最大值、P-t曲线包络平方值的两倍包络均值平方之差、P-t曲线瞬时频率的方差、P-t曲线大小波系数的方差、P-t曲线信号的四阶累积量之比等新特征参数。从历史测量数据中提取N个样本，每个样本包含M个特征，组织成一个N*M的样本矩阵X0；

步骤二：使用PCA主元分析算法对该样本矩阵进行降维处理，分析找到占所有特征能量90％的那些主特征，这部分特征能表征应变式压力传感器的漂移特征，并求出降维的转换矩阵P；

步骤三：当发火测试开始时，使用应变式压力传感器采集密闭爆炸空间内的实时压力信号，对压力传感器输出的信号进行滤波放大，然后通过采集仪将滤波放大后压力信号输入到融合中心(计算机)，融合中心记录本次发火测试的压力随时间变换情况，得到一条P-t曲线，然后分析P-t曲线得到表征火工品质量的M个特征参数，组织成向量得测试数据向量X，使用从步骤二得到的投影矩阵P来校正新测量的数据向量X，得到校正值Xcorr＝X-XPP′；

步骤四：将校正值Xcorr更新到样本矩阵X0，重新对X0使用PCA算法得到新投影矩阵P0，通过求P-P0的二范数比较P与P0的差异，并与设定阈值θ比较，若大于θ则用P0代替P，否者保留P不变。如果需要继续测试则回到步骤三，否者退出。

本发明的有益技术效果为：本发明可以充分利用历史测量数据来校正因应变式压力传感器漂移导致的误差，经过该方法校正后的测量数据明显优于不加校正的测量数据，有效地减小了由于应变式压力传感器温漂导致的不确定性，提供了火工品测试参数的精度和可靠性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述的一种航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法的系统结构图。

图2为本发明所述的一种航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法的系统流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的航天火工品测试压力传感器漂移校正方法进行详细的描述。

图1为本发明所述一种航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法的系统结构图，包括以下模块：应变式压力传感器、动态应变仪、采集仪、融合中心(计算机)、显示模块、存储模块、数据库。其中，融合中心与采集仪、显示模块、存储模块相连。利用采集仪设备，将滤波放大后的压力信息化发送到融合中心，融合中心通过存储模块获取历史数据，并结合PCA-CC算法对测试数据进行校正，能够改善由于应变式压力传感器漂移所导致的误差，有效地提高了火工品发火测试实验数据的精度和可靠性。

图2为本发明所述一种航天火工品发火测试压力传感器漂移自适应校正方法的系统流程图，具体实现步骤如下：

(1)从存储模块获取N(N＞100)个同系列火工品测试数据样本，每个样本包含M个参数特征，组织成矩阵形式，得到一个N*M的样本矩阵X0；

(2)对样本矩阵X0进行PCA降维。首先将样本矩阵进行中心化，然后计算样本矩阵X0的协方差矩阵C，将协方差矩阵C对角化得到对角阵Λ，在对角阵Λ中选取能量最强的几个特征值，使这几个特征值的能量占总特征值能量的90％以上，假设共选取了k个特征值，其中k<M。这k个特征值对应的特征向量组成一个特征向量矩阵这个新的特征向量矩阵P即为PCA降维的投影矩阵；

(3)发火测试实验开始，应变式压力传感器测量密闭爆炸空间内的实时压力，由于压力传感器输出的信号很微弱，通过动态应变仪对传感器的输出信号进行滤波放大；

(4)通过采集仪将动态应变仪的输出信号上传到融合中心(计算机)，融合中心记录下本次发火实验的压力随时间变化的情况，形成一条P-t曲线；

(5)分析此次发火实验的P-t曲线，求出M个参数特征，如：开始建压时间，峰值压力，峰值压力时间、最大上升速率、准静压等传统特征参数，以及本发明采用的P-t曲线零中心归一化瞬时幅度的频谱最大值、P-t曲线包络平方值的两倍包络均值平方之差、P-t曲线瞬时频率的方差、P-t曲线大小波系数的方差、P-t曲线信号的四阶累积量之比等新特征参数。将这M个参数特征组织成一个向量X，即：

(6)通过从步骤(2)得到的投影矩阵P校正新测量的数据X，得到Xcorr＝X-X·PP′。Xcorr即为通过PCA-CC算法结合历史数据实现的应变式压力传感器漂移校正数据；

(7)保存校正数据Xcorr到数据库并输出显示，将校正值Xcorr更新到样本矩阵X0，重新对X0使用PCA算法得到新投影矩阵P0，通过求P-P0的二范数比较P与P0的差异，并与设定阈值θ比较，若大于θ则用P0代替P，否者保留P不变。如果需要继续测试则回到步骤(3)，否者退出。

最后说明的是，以上发火测试火工品参数特征的选取仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管发火测试火工品参数特征的选取已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，如可以从P-t曲线得到频域特征(小波分析)，频域-能量特征(希尔伯特黄变换)等，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。