一种多参量优化测控电路、实验系统及实验方法与流程

本发明涉及火灾安全领域，更具体涉及一种多参量优化测控电路、实验系统及实验方法。

背景技术：

风洞实验室是通过人工的方式产生并控制气流来模拟飞行器或者实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。根据用途的不同可分为建筑风洞、环境风洞、汽车专用风洞等，其中建筑风洞主要进行土木结构的抗风研究，如高层建筑、大型桥梁、输电线塔等结构的抗风研究。

中国专利公开号cn110501136a公开了一种基于试验特定风剖面修正到任意风剖面的海洋平台风荷载预报方法，该方法首先，基于设计风速对应的目标npd风剖面模型和建筑结构四类场地风剖面模型选择试验用的成熟模拟风剖面模型；其次，根据流场进入紊流状态一定范围内结构广义体系系数基本不随雷诺数或风速变化确定试验风速，在此基础进行风洞试验并计算风荷载预报系数；最后，根据目标风剖面下结构整体体型系数与试验选定风剖面下结构整体体型系数一致的原则确定预报风荷载系数修正并建立其修正系数计算方法。该方法不需要进行设计风速对应的目标npd风剖面模型的调试模拟，节约调试模拟时间，提高结构风洞试验工作效率，节约成本。但是现有技术在风洞实验研究中，由于没有考虑实验环境中温度、湿度及风速的变化，容易导致传感器的测量数据产生偏差，从而产生实验数据偏差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于现有技术在风洞试验研究中没有解决实验环境中温度、湿度及风速的变化产生的数据偏差，导致实验数据不精准的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种多参量优化测控电路，包括顺序编号的电阻r1至电阻r20以及顺序编号的放大器u1至放大器u5，电阻r1的一端接温度传感器，电阻r7的一端接温度传感器在常温下的参考电压，电阻r1的另一端接电阻r2的一端以及放大器u1的同相端，电阻r7的另一端接电阻r8的一端以及放大器u1的反相端，电阻r2的另一端接放大器u1的输出端；电阻r3的一端接硫化氢传感器或者一氧化碳传感器，电阻r3的另一端接放大器u2的同相端以及电阻r4的一端，电阻r9的一端接放大器u1的输出端，电阻r9的另一端接电阻r10的一端以及放大器u2的反相端，电阻r4的另一端接放大器u2的输出端；电阻r5的一端接放大器u2的输出端，电阻r5的另一端接放大器u3的同相端，电阻r11的一端接放大器u3的反相端；电阻r12的一端接风速传感器，电阻r17的一端接风速传感器在常温下的参考电压，电阻r12的另一端接电阻r13的一端以及放大器u4的同相端，电阻r17的另一端接电阻r18的一端以及放大器u4的反相端，电阻r13的另一端接放大器u2的输出端；电阻r14的一端接硫化氢传感器或者一氧化碳传感器，电阻r14的另一端接放大器u5的同相端，电阻r19的一端接放大器u4的输出端，电阻r19的另一端接电阻r15的一端，电阻r15的另一端接放大器u5的输出端，电阻r20的一端接放大器u5的反相端；电阻r16的一端接放大器u5的输出端，电阻r16的另一端接电阻r6的一端，电阻r6的另一端接放大器u3的输出端，电阻r8的另一端、电阻r10的另一端、电阻r11的另一端、电阻r18的另一端以及电阻r20的另一端均接地，放大器u3的输出端为多参量优化测控电路的输出信号端。

本发明将温度传感器的信号输入与温度传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值以及风速传感器的信号输入与风速传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值分别乘以相应的权重以后与硫化氢或者一氧化碳传感器信号输入叠加，得到的结果是考虑了硫化氢和一氧化碳传感器随温度和风速影响造成的误差的结果，结果更为精准。

本发明还提供一种实验系统，包括上述所述的多参量优化测控电路、数据采集控制器、温湿度修正电路、电流传感器、加湿器、制冷机、风机以及工控机，所述温湿度修正电路的输入端连接若干传感器，温湿度修正电路的输出端连接数据采集控制器，所述多参量优化测控电路的输入端连接若干传感器，多参量优化测控电路的输出端连接数据采集控制器，电流传感器的输出端连接数据采集控制器，加湿器、制冷机以及风机均通过开关与数据采集控制器连接；所述工控机与所述数据采集控制器连接。

本发明通过设置完整的一套实验系统，考虑实验环境中温度、湿度及风速的变化易导致传感器的测量数据产生偏差，设置用于消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差的温湿度修正电路以及用于消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差的多参量优化测控电路，消除实验环境中温度、湿度及风速的变化产生的数据偏差，使得实验数据较为精准。

优选的，所述数据采集控制器的型号为mr-m8440-d，加湿器的型号为ers-890l，制冷机的型号为alt-18，风机采用s-lp低压系列风机，工控机的型号为ipc277d，电流传感器的型号为hdctk-50。

优选的，所述实验系统还包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器以及光照传感器，温度传感器、湿度传感器、气压传感器以及光照传感器分别与所述述温湿度修正电路的输入端连接；温度传感器还与数据采集控制器连接，用于采集温度传感器在常温下的参考电压；湿度传感器还与数据采集控制器连接，用于采集湿度传感器在常温下的参考电压。

优选的，所述温度传感器的型号为pr-3002-ws，湿度传感器的型号为pr-3002-ws，气压传感器的型号为pr-3002-qy，光照传感器的型号为pr-3002-lux。

优选的，所述实验系统还包括风速传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器，所述温度传感器、风速传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器分别与所述多参量优化测控电路的输入端连接；风速传感器还与数据采集控制器连接，用于采集风速传感器在常温下的参考电压。

优选的，所述风速传感器的型号为wl-wind-30，硫化氢传感器的型号为pr-3002-h2s，一氧化碳传感器的型号为pr-3002-co。

优选的，所述实验系统还包括电源、报警器以及摄像头，所述电源与所述数据采集控制器连接，为系统供电；所述报警器通过开关与所述数据采集控制器连接；所述摄像头与所述工控机连接。

优选的，所述电源为型号为yl-p5-a，所述报警器型号为sf-500a，摄像头采用500万像素彩色usb3.0相机。

本发明还提供一种实验方法，所述方法应用于权利要求2-5任一项所述的实验系统，所述方法包括：

步骤一：接通电源，打开工控机，利用工控机控制风机、加湿器以及制冷机，改变风速、温度和湿度，分别进行无火实验、阴燃实验和明火实验；

步骤二：利用温湿度修正电路消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差，利用多参量优化测控电路消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差；

步骤三：采用统计分析方法将不同工况下获得的数据进行分析，得到多灾害耦合环境下温度、湿度、气压、光照度、硫化氢、一氧化碳的变化规律，进而得出多灾耦合环境对不同类型火灾的影响规律，完成实验。

优选的，所述温湿度修正电路利用公式vpo＝vp+a1(vt-vtr)/2+3/4*a2(vh-vhr)消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差；其中，vpo表示温湿度修正电路修正后的输出信号；vp代表压力传感器或者光照传感器信号输入；a1和a2均表示信号放大倍数且a1+a2＝1，a1>0，a2>0；vt代表温度信号输入，vtr代表温度传感器在常温下的参考电压，vh代表湿度信号输入，vhr代表湿度传感器在常温下的参考电压；

所述多参量优化测控电路利用公式vso＝vs+3/4*a3(vt-vtr)-a4(vw-vwr)/2消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差；其中，vso表示多参量优化测控电路修正后的输出信号；vs代表硫化氢传感器或者一氧化碳传感器信号输入；a3和a4均表示信号放大倍数且a3+a4＝1，a3>0，a4>0；vw代表风速信号输入，vwr代表风速传感器在常温下的参考电压。

优选的，所述无火实验包括：依据风速范围0-30m/s，步进5m/s、温度范围-10～50℃，步进5℃以及湿度范围10-90rh％，改变风速、温度以及湿度，采集风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光照传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器的数据，分析无火情况下风速、温度和湿度对各种传感器的影响规律。

优选的，所述阴燃实验包括：依据风速范围0-30m/s，步进5m/s、温度范围-10～50℃，步进5℃以及湿度范围10-90rh％，改变风速、温度以及湿度，采集风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光照传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器的数据，分析阴燃情况下风速、温度和湿度对各种传感器的影响规律。

优选的，所述明火实验包括：依据风速范围0-30m/s，步进5m/s、温度范围-10～50℃，步进5℃以及湿度范围10-90rh％，改变风速、温度以及湿度，采集风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光照传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器的数据，分析明火情况下风速、温度和湿度对各种传感器的影响规律。

本发明的优点在于：

(1)本发明的多参量优化测控电路将温度传感器的信号输入与温度传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值以及风速传感器的信号输入与风速传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值分别乘以相应的权重以后与硫化氢或者一氧化碳传感器信号输入叠加，得到的结果是考虑了硫化氢和一氧化碳传感器随温度和风速影响造成的误差的结果，结果更为精准，其中，权重由电路的放大倍数决定，总的权重为1。

(2)本发明通过设置完整的一套实验系统，考虑实验环境中温度、湿度及风速的变化易导致传感器的测量数据产生偏差，设置用于消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差的温湿度修正电路以及用于消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差的多参量优化测控电路，消除实验环境中温度、湿度及风速的变化产生的数据偏差，使得实验数据较为精准。

附图说明

图1为本发明实施例1所公开的一种多参量优化测控电路的原理图；

图2为本发明实施例1所公开的一种温湿度修正电路的原理图；

图3为本发明实施例2所公开的一种实验系统的结构框图；

图4为本发明实施例3所公开的一种实验方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，所述温湿度修正电路和多参量优化测控电路的电路结构形式，所述多参量优化测控电路实质是温度风速修正电路，温度风速修正电路包括顺序编号的电阻r1至电阻r20以及顺序编号的放大器u1至放大器u5，电阻采用精度为0.1％的精密电阻，放大器u1至放大器u5采用ina821仪表放大器，电阻r1的一端接温度传感器，电阻r7的一端接温度传感器在常温下的参考电压，电阻r1的另一端接电阻r2的一端以及放大器u1的同相端，电阻r7的另一端接电阻r8的一端以及放大器u1的反相端，电阻r2的另一端接放大器u1的输出端；电阻r3的一端接硫化氢传感器或者一氧化碳传感器，电阻r3的另一端接放大器u2的同相端以及电阻r4的一端，电阻r9的一端接放大器u1的输出端，电阻r9的另一端接电阻r10的一端以及放大器u2的反相端，电阻r4的另一端接放大器u2的输出端；电阻r5的一端接放大器u2的输出端，电阻r5的另一端接放大器u3的同相端，电阻r11的一端接放大器u3的反相端；电阻r12的一端接风速传感器，电阻r17的一端接风速传感器在常温下的参考电压，电阻r12的另一端接电阻r13的一端以及放大器u4的同相端，电阻r17的另一端接电阻r18的一端以及放大器u4的反相端，电阻r13的另一端接放大器u2的输出端；电阻r14的一端接硫化氢传感器或者一氧化碳传感器，电阻r14的另一端接放大器u5的同相端，电阻r19的一端接放大器u4的输出端，电阻r19的另一端接电阻r15的一端，电阻r15的另一端接放大器u5的输出端，电阻r20的一端接放大器u5的反相端；电阻r16的一端接放大器u5的输出端，电阻r16的另一端接电阻r6的一端，电阻r6的另一端接放大器u3的输出端，电阻r8的另一端、电阻r10的另一端、电阻r11的另一端、电阻r18的另一端以及电阻r20的另一端均接地，放大器u3的输出端为多参量优化测控电路的输出信号端。将温度传感器的信号输入与温度传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值以及风速传感器的信号输入与风速传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值分别乘以相应的权重以后与硫化氢或者一氧化碳传感器信号输入叠加，得到的结果是考虑了硫化氢和一氧化碳传感器随温度和风速影响造成的误差的结果，结果更为精准，其中，权重由电路的放大倍数决定，总的权重为1，所以硫化氢和一氧化碳传感器随温度的影响的权重加上硫化氢和一氧化碳传感器随风速的影响的权重和为1。

图1中，电阻r1的阻值为r2/a3，a3为放大倍数，电阻r3的阻值是电阻r4的阻值的两倍，电阻r5的阻值与电阻r6的阻值相等，电阻r7的阻值为电阻r8/a3，电阻r9的阻值等于电阻r10的阻值，电阻r12的阻值为r13/a4，a4为放大倍数，电阻r14的阻值以及电阻r19的阻值是电阻r15的阻值的两倍，电阻r16的阻值与电阻r6的阻值相等，电阻r17的阻值为电阻r18/a4。

图1中，vso表示修正后的输出信号，vso的推导过程如下：vto＝a3(vtr-vt)，vst＝3/4*vto-vs/2，vwo＝a4(vwr-vw)，vws＝-(vwo+vs)/2，vso＝-(vst+vws)，最终得出，vso＝vs+3/4*a3(vt-vtr)-a4(vw-vwr)/2,其中a3+a4＝1，a3>0，a4>0。vso表示多参量优化测控电路修正后的输出信号；vs代表硫化氢传感器或者一氧化碳传感器信号输入；a3和a4均表示信号放大倍数且a3+a4＝1，a3>0，a4>0；vw代表风速信号输入，vwr代表风速传感器在常温下的参考电压。由于硫化氢和一氧化碳传感器材料的特性，导致硫化氢和一氧化碳随温度的增加而增加，而硫化氢和一氧化碳随风速的增加而减小，多参量优化测控电路的目的就是为了消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差，但是温度和风速对硫化氢和一氧化碳的影响权重不是一样的，而是通过a3+a4＝1，a3>0，a4>0值来调节温度和风速的权重，保证总的权重为1。

如图2所示，为温湿度修正电路的原理图，其电路结构以及阻值的选取与多参量优化测控电路相同，只是输入的传感器数据不同，输出的信号也不同。图中展示了各电阻阻值之间的关系，在此不做赘述。vpo表示温湿度修正电路修正后的输出信号，vpo的推导过程如下：vto＝a1(vtr-vt)，vpt＝(vto-vp)/2，vho＝a2(vhr-vh)，vph＝3/4*vho-vp/2，vpo＝-(vpt+vph)，最终计算得出，vpo＝vp+a1(vt-vtr)/2+3/4*a2(vh-vhr),其中a1+a2＝1，a1>0，a2>0。vp代表压力传感器或者光照传感器信号输入；a1和a2均表示信号放大倍数且a1+a2＝1，a1>0，a2>0；vt代表温度信号输入，vtr代表温度传感器在常温下的参考电压，vh代表湿度信号输入，vhr代表湿度传感器在常温下的参考电压。由于压力和光照传感器材料的特性，导致压力和光照度随温湿度的增加而减小，温度湿度修正电路的目的就是为了消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差，但是温度和湿度对压力和光照度的影响权重不是一样的，而是通过a1+a2＝1，a1>0，a2>0值来调节温湿度的权重，保证总的权重为1。

通过以上技术方案，本发明提供的一种多参量优化测控电路，将温度传感器的信号输入与温度传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值以及风速传感器的信号输入与风速传感器在常温下的参考电压进行比较以后的差值分别乘以相应的权重以后与硫化氢或者一氧化碳传感器信号输入叠加，得到的结果是考虑了硫化氢和一氧化碳传感器随温度和风速影响造成的误差的结果，结果更为精准，其中，权重由电路的放大倍数决定，总的权重为1

实施例2

如图3所示，一种实验系统，包括实施例1所公开的用于消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差的多参量优化测控电路、数据采集控制器、用于消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差的温湿度修正电路、电流传感器、加湿器、制冷机、风机以及工控机，所述温湿度修正电路的输入端连接若干传感器，温湿度修正电路的输出端连接数据采集控制器，所述多参量优化测控电路的输入端连接若干传感器，多参量优化测控电路的输出端连接数据采集控制器，电流传感器的输出端连接数据采集控制器，加湿器、制冷机以及风机均通过开关与数据采集控制器连接；所述工控机与所述数据采集控制器连接，用于人机交互。其中，所述数据采集控制器的型号为mr-m8440-d，加湿器的型号为ers-890l，制冷机的型号为alt-18，风机采用s-lp低压系列风机，工控机的型号为ipc277d，电流传感器的型号为hdctk-50。

继续参阅图3，所述实验系统还包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器以及光照传感器，温度传感器、湿度传感器、气压传感器以及光照传感器分别与所述述温湿度修正电路的输入端连接；温度传感器还与数据采集控制器连接，用于采集温度传感器在常温下的参考电压；湿度传感器还与数据采集控制器连接，用于采集湿度传感器在常温下的参考电压。温度传感器、湿度传感器、气压传感器以及光照传感器用于提供温湿度修正电路的输入数据，温湿度修正电路根据输入信号对数据进行处理，修正偏差。

继续参阅图3，所述实验系统还包括风速传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器，所述温度传感器、风速传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器分别与所述多参量优化测控电路的输入端连接；风速传感器还与数据采集控制器连接，用于采集风速传感器在常温下的参考电压。风速传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器用于提供多参量优化测控电路的输入数据，多参量优化测控电路根据输入信号对数据进行处理，修正偏差。

传感器选型如下表所示：

表1传感器技术参数表

继续参阅图3，所述实验系统还包括电源、报警器以及摄像头，所述电源与所述数据采集控制器连接，为系统供电；所述报警器通过开关与所述数据采集控制器连接；所述摄像头与所述工控机连接。本发明实施例中，数据采集控制器采用具有8路数据采集接口(8路0～5v)、4路开关量输入接口和4路开关量输出接口的以太网控制器；报警器采用24v声光报警器；摄像头采用500万像素彩色usb3.0相机；风机采用24寸不锈钢强力风机；电源采用24v5a开关电源；制冷机采用工业冷风机；加湿器采用24l工业加湿机。所述电源为型号为yl-p5-a，所述报警器型号为sf-500a。

通过以上技术方案，本发明提供的一种实验系统，通过设置完整的一套实验系统，考虑实验环境中温度、湿度及风速的变化易导致传感器的测量数据产生偏差，设置用于消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差的温湿度修正电路以及用于消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差的多参量优化测控电路，消除实验环境中温度、湿度及风速的变化产生的数据偏差，使得实验数据较为精准。

实施例3

如图4所示，与本发明实施例2相对应的，本发明实施例3还提供一种实验方法，所述方法应用于实施例1所述的实验系统，所述方法包括：

步骤一：接通电源，打开工控机，利用工控机控制风机、加湿器以及制冷机，改变风速、温度和湿度，分别进行无火实验、阴燃实验和明火实验；无火实验、阴燃实验和明火实验属于现有比较成熟的实验技术，本申请设计点在于提供研究多灾耦合环境对传感器影响的实验系统及方法，对于无火实验、阴燃实验和明火实验不做过多展开，以下简要介绍无火实验、阴燃实验和明火实验的实验过程，其中，所述无火实验包括：依据风速范围0-30m/s，步进5m/s、温度范围-10～50℃，步进5℃以及湿度范围10-90rh％，改变风速、温度以及湿度，采集风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光照传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器的数据，分析无火情况下风速、温度和湿度对各种传感器的影响规律。对于影响规律，是由人工根据实验结果进行统计分析得出，具体规律根据实验结果而不同，实验规律的总结不在本申请保护范围之内。

所述阴燃实验包括：依据风速范围0-30m/s，步进5m/s、温度范围-10～50℃，步进5℃以及湿度范围10-90rh％，改变风速、温度以及湿度，采集风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光照传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器的数据，分析阴燃情况下风速、温度和湿度对各种传感器的影响规律。

所述明火实验包括：依据风速范围0-30m/s，步进5m/s、温度范围-10～50℃，步进5℃以及湿度范围10-90rh％，改变风速、温度以及湿度，采集风速传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、光照传感器、硫化氢传感器以及一氧化碳传感器的数据，分析明火情况下风速、温度和湿度对各种传感器的影响规律。

步骤二：利用温湿度修正电路消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差，利用多参量优化测控电路消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差；具体为：所述温湿度修正电路利用公式vpo＝vp+a1(vt-vtr)/2+3/4*a2(vh-vhr)消除压力和光照度随温湿度增加而减小造成的误差；其中，vpo表示温湿度修正电路修正后的输出信号；vp代表压力传感器或者光照传感器信号输入；a1和a2均表示信号放大倍数且a1+a2＝1，a1>0，a2>0；vt代表温度信号输入，vtr代表温度传感器在常温下的参考电压，vh代表湿度信号输入，vhr代表湿度传感器在常温下的参考电压；

所述多参量优化测控电路利用公式vso＝vs+3/4*a3(vt-vtr)-a4(vw-vwr)/2消除硫化氢和一氧化碳随温度和风速影响造成的误差；其中，vso表示多参量优化测控电路修正后的输出信号；vs代表硫化氢传感器或者一氧化碳传感器信号输入；a3和a4均表示信号放大倍数且a3+a4＝1，a3>0，a4>0；vw代表风速信号输入，vwr代表风速传感器在常温下的参考电压。需要说明的是，公式是根据电路结构推导得出，具体电路的结构以及公式的推导参见实施例1，在此不做赘述。

步骤三：采用统计分析方法将不同工况下获得的数据进行分析，得到多灾害耦合环境下温度、湿度、气压、光照度、硫化氢、一氧化碳的变化规律，进而得出多灾耦合环境对不同类型火灾的影响规律，完成实验。统计分析法属于现有分析方法，包括指标对比分析法、分组分析法、时间数列及动态分析法以及指数分析法。同上，影响规律需要根据实验结果人工分析得出，所以对于影响规律在此不做说明，本发明旨在提供实验的系统和方法，同时实验系统和方法考虑了实验环境中温度、湿度及风速的变化产生的数据偏差，并通过修正电路以及电路公式推导解决数据偏差。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。