一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪

1.本发明涉及一种大气湍流强度的实验测量仪器及补偿方法，尤其是一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪。


背景技术：

2.目前，随着光学领域的飞速发展，光学湍流的研究逐渐受人关注，铂丝式温度脉动仪是一种利用双点测温原理测量大气折射率结构常数来表征大气湍流强度的仪器。
3.传统的铂丝式温度脉动仪用微细铂丝作为测温材料，具有响应迅速、输出线性等优点，但是当铂丝式温度脉动仪工作在雨雪等极端室外天气条件下现有铂丝探头设计方式没有任何保护十分容易损坏。此外，太阳辐照的突然变化会对铂丝感应温度变化的测量产生影响。本发明专利通过独特的铂丝防护探头设计有效延长了铂丝探头使用寿命，确保仪器可以正常工作在极端的天气条件下。采用传感器与算法相结合的技术，采用ml8511传感器，通过将光电流转化成电压的原理来检测光照强度，将实时检测到的电压数据发送至单片机中，通过融合补偿算法实现对光照强度的补偿，解决光照强度突然变化对仪器测量产生的影响
4.由于铂丝探头的设计模式使得前端放大电路感应温度变化具有一定滞后性，因此创新性的采用灰狼补偿算法。灰狼算法是一种新颖的群体智能优化算法，它通过模拟灰狼群体的狩猎行为最终实现优化的目的，灰狼群体根据其严格的等级制度将灰狼个体从高到低进行排序，各个灰狼个体分别计算自己与猎物的位置，从而实现灰狼群体对猎物的包围和各个方向的攻击，最终定位猎物精准位置，成功捕获猎物，通过多次迭代计算最优补偿系统传递函数参数值，通过将铂丝探头的实测数据与铂丝实测数据进行对比构造一个温度脉动仪系统的传递函数，通过灰狼补偿算法的迭代计算设计出本系统的最优动态补偿滤波器，解决铂丝探头感应温度变化的滞后问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于设计一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，以解决上述提出的问题。
6.为了实现上述要求，本发明提出的技术方案如下：一种具有太阳辐照和气压温度补偿功能的铂丝电阻式温度脉动仪，包含有全气象铂丝探头、ml8511传感器、单片机、信号放大单元，ad采集单元，信号处理与通信接口单元。
7.本发明设计的伞状结构铂丝探头，采用棉线与小型电路板组成类似伞状结构的铂丝探头可以在多气象条件下对铂丝进行保护，在雨、雪、大风等极端天气条件下，棉线和渔线起到缓冲作用保护铂丝，有效延长了铂丝探头的使用寿命。
8.本发明采用了ml8511传感器模块放置在与铂丝探头同一水平线距离相近处可以检测出太阳辐照强度带来的温度差值，单片机传感器测量得到的太阳辐照强度发送至上位
机，上位机通过温度补偿算法计算出太阳辐照带来的温度影响对温度进行补偿，减小系统误差。
9.本发明设计的信号放大单元采用惠斯通电桥的方式将全气象铂丝探头相连接，铂丝探头将温度变化转化电路中的电压值变化，将伞状设计的铂丝探头与普通铂丝的室外实测信号记录下，将伞状设计铂丝探头实测数据作为动态补偿滤波器的输入信号，将普通铂丝实测数据作为动态补偿滤波器的输出信号，通过灰狼算法的迭代计算，其中灰狼补偿算法设置种群大小为100，最大迭代次数为20000，灰狼群体通过对多次实验数据进行捕获，各个灰狼个体根据适应度函数不断进行迭代计算得出最优函数值，最终成功构建一个最优动态补偿滤波器，信号放大单元中的滤波电路参数设置根据灰狼算法计算得出的最优传递函数值设定，最终实现对铂丝探头感应温度变化的时间响应进行动态补偿，减小温度脉动仪系统误差。
10.本发明设计的ad采集单元采用具有24位ad采集精度的高精度采集芯片ads1256对电压值进行高速采集，确保温度脉动仪仪器的响应频率可以达到30hz，ad采集单元的波特率设置为115200。
11.本发明设计的信号处理与通信接口单元，外接传感器bme680测量环境温度，大气压强，通过单片机将ad采集数值、环境温度、大气压强按照rs485通信方式统一传输至上位机，上位机中的软件绘制出大气折射率结构常数曲线。单片机通过串口与4g通信模块进行通信，保证可以远程监测铂丝式温度脉动仪的工作状况。
附图说明
12.图1为温度脉动仪结构原理框图
13.图2为铂丝探头受光照影响原理图
14.图3为铂丝探头结构原理图
具体实施方式
15.下面结合附图进一步说明本发明的实施方式
16.如图1所示，本发明包括有两个全气象铂丝探头、太阳辐照强度检测传感器ml8511、信号放大单元、ad采集单元、信号处理与通信接口单元。两个全气象铂丝探头以惠斯通电桥的连接方式连接到信号放大单元，太阳辐照强度检测传感器ml8511放置在与铂丝探头两侧将铂丝探头所受的太阳辐照强度实时传输至信号放大单元中的单片机，信号放大单元中的单片机通过太阳辐照强度计算公式减小太阳辐照带来的误差并且通过温度补偿算法进行处理，灰狼补偿算法设置种群大小为100，最大迭代次数为20000，对铂丝探头和铂丝感应温度变化的数次实验数据进行对比寻优，最终灰狼算法通过迭代计算得出最优补偿系统传递函数，根据传递函数的参数值在信号放大单元中构建合适参数的动态补偿滤波器，达到最优的滤波效果，ad采集单元以115200的波特率采集这个来自信号放大单元中的电压信号，ad采集单元采用具有24位ad采集精度的高精度采集芯片ads1256对信号进行采集后将电压信号发送至信号处理与通信接口单元，信号处理与通信接口单元外接有外部传感器bme680可以采集到的环境温度、大气压强、大气湿度等环境参数，内置滤波电路对信号进行滤波处理，最终信号处理与通信接口单元将ad采集单元发送过来的电压参数、环境温
度、大气压强、大气湿度所有参数值按照与上位机约定的数据格式统一打包按照485通信协议与上位机进行通信把数据发送至上位机，上位机根据大气折射率结构常数的计算公式进行后续数据处理计算得出大气折射率结构常数的值，并且生成大气折射率结构常数变化曲线。
17.如图2所示，铂丝探头的设计模式可以精准的检测到空间中局部两点的微弱温度变化，ml8511紫外线传感器放置在铂丝探头两侧可以精准检测铂丝受到的太阳辐照影响，将相关参数传递到信号放大单元中的单片机利用温度补偿算法可以消除太阳辐照给温度脉动仪带来的测量误差。
18.如图3所示，全气象铂丝探头的设计包括有四个小型电路板(1)，渔线(2)穿过四个小型电路板形成独特的伞状结构对铂丝(3)有一定的保护作用，铂丝缠绕在棉线(4)之上，棉线对铂丝可以起到固定作用，使得温度脉动仪在室外工作时铂丝不会随着风吹移动，提升了仪器测量稳定性。防水底座(5)用来保护探头在雨雪天气下正常工作，金属支架(6)具有良好的固定作用，并且通过金属支架可以直接与信号放大单元相连，进行后续的信号处理。采用该模式设计的全气象铂丝探头不仅十分耐用适用各种天气条件，还可以快速感应局部空间微弱的温度变化提升仪器测量准确性。


技术特征：
1.一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：包含有全气象铂丝探头、ml8511紫外线传感器芯片、信号放大单元、ad采集单元、信号处理与通信接口单元。所述全气象铂丝探头的数量为两个，所述ml8511紫外线传感器芯片与信号放大单元的前端相连接。2.根据权利要求1所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述信号放大单元包括有融合温度补偿算法的单片机、经过灰狼补偿算法计算设计的四阶高通滤波电路、ina333低功耗精密仪表放大器。3.根据权利要求1所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述ad采集单元包括有模数转换单元、高精度ad采集芯片ads1256。4.根据权利要求3所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述高精度ad采集芯片的采集位数为14位，采样频率不低于30hz。5.根据权利要求1所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述信号处理与通信接口单元包括有单片机微控制模块、485通信接口模块、4g通信模块。6.根据权利要求5所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述单片机微控制模块数字i/o口的数量至少为两个，单片机外设接口连接温度气压传感器bme680和lcd数据显示屏。7.根据权利要求5所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述485通信接口模块包括有sp3485芯片。8.根据权利要求5所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述4g通信模块包括有4g模块wh-lte-7s4。9.根据权利要求1所述的一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，其特征在于：所述信号处理与通信接口单元包括有上位机，其通过4g通信模块远程与单片机进行连接，将单片机发送的485通信协议的数据进行处理计算，显示大气折射率结构常数曲线。

技术总结
本发明公开了一种基于灰狼补偿算法的高灵敏度全气象铂丝电阻式温度脉动仪，包括全气象铂丝探头，太阳辐照强度检测传感器ML8511，信号放大单元，AD采集单元，信号处理与通信接口单元。所述全气象铂丝探头包括直径为2mm的高纯度铂丝，4个小型电路板，BNC接头，探头的设计采用四个小型电路板与BNC接头组成独特的伞状结构。本发明的优点在于：通过采用ML8511传感器消除了太阳辐照带来的电路增温问题，通过将灰狼补偿算法融合至信号放大单元构建最优参数的四阶有源高通滤波器解决了铂丝探头检测滞后性的问题，提升了温度脉动仪的测量精度和灵敏度，采用铂丝探头的伞状设计结构解决了温度脉动仪室外工作铂丝探头易损坏的问题。温度脉动仪室外工作铂丝探头易损坏的问题。温度脉动仪室外工作铂丝探头易损坏的问题。


技术研发人员：李兴广 丁焕懿 佟首峰 常帅 张磊
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/6/4