一种电压传感器远程自校准装置

本发明涉及远程自校准，特别涉及一种电压传感器远程自校准装置。

背景技术：

1、电压传感器的频率校准问题是在实际应用中需要关注的重要方面。频率校准是指确保传感器在测量频率方面的准确性和稳定性，以保证其在信号处理和数据采集过程中的可靠性。在电压传感器中，频率校准问题可能涉及频率响应特性、频率漂移、抗干扰能力、动态响应。

2、电压传感器是用于测量电压信号的设备，常见的类型包括电阻分压型、电容分压型和电感分压型传感器。这些传感器在不同频率下的响应特性会存在一定的误差，这主要是由于以下原理所致：

3、电阻分压型传感器的频率响应误差原理：

4、如图1所示，电阻分压型传感器是利用电阻分压原理进行电压测量的。在较低频率下，电阻分压型传感器的电阻元件本身的电阻值变化较小，因此频率响应误差较小。但是，在高频率下，电阻元件会受到电感和电容等因素的影响，导致其等效电阻值发生变化，从而引起频率响应误差。电阻分压型传感器输出电压vout与输入电压vin之间存在一个比例关系。该关系由欧姆定律表示：

5、

6、如图2所示，这种电路的缺点是，放大器目前将放大整个电压开发的传感器。然而，最好只放大由于传感器电阻变化引起的电压变化，这是通过实现电阻桥的第二种方法实现的。这时输出电压公式为：

7、

8、如图3所示，电容分压型传感器的频率响应误差原理：

9、电容分压型传感器利用电容分压原理进行电压测量。在低频率下，电容分压型传感器的电容元件可以看作是一个理想的电容，其阻抗对频率变化不敏感，因此频率响应误差较小。但是，在高频率下，电容元件的等效串联电阻和等效并联电感会导致电容元件的阻抗变化，从而引起频率响应误差。电容分压型传感器输出电压vout与输入电压vin之间存在一个比例关系。该关系由欧姆定律表示：

10、vout＝vin×(c2/(c1+c2))

11、总体而言，电压传感器的频率响应误差主要是由传感器本身的元件特性导致的，包括电阻元件、电容元件的等效电阻、等效电容和的变化。因此，在选择和使用电压传感器时，需要根据实际应用的频率范围来考虑传感器的频率响应误差，以确保测量结果的准确性。

12、频率响应误差可以用以下公式表示：

13、

14、其中，e(f)表示在特定频率f下的频率响应误差，f_out表示传感器输出的电压信号在频率f，f_stander表示标准的电压信号在频率f。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电压传感器远程自校准装置，以提高传感器的测量精度和可靠性。该自校准系统利用卫星共视技术，通过同时观测多个目标，并利用其在不同视角下的图像信息来推断传感器的校准状态。通过分析和比对多个视角下的信号数据，系统可以确定传感器的误差模型并自动校准传感器的测量结果。这种远程自校准系统可以实时监测传感器的校准状态，并在需要时进行自动调整，从而保持传感器的准确性和稳定性。

2、因此，本发明提供一种电压传感器远程自校准装置，其采用的技术方案如下：

3、一种电压传感器远程自校准装置，包括依次连接的敏感元件、调理电路、调制电路和单片机，所述单片机连接所述敏感元件，以为所述敏感元件提供电源稳定电压，所述敏感元件用于采集测量电压信号，所述调理电路和调制电路用于对采集的测量电压信号进行模拟调理和数字调制以获得电压脉冲信号馈送至所述单片机作为电压基准频率；

4、还包括卫星接收模块，所述调制电路的输出端连接所述卫星接收模块，所述卫星接收模块的输出端连接所述单片机的输入端，所述卫星接收模块用于接收所述调制电路馈送的电压基准频率以及卫星信号，并以所述电压基准频率为基准电压对卫星信号进行转换得到卫星脉冲信号馈送至所述单片机，所述单片机根据电压基准频率、卫星脉冲信号和传感器电压脉冲信号计算电压误差，并根据电压误差确定补偿电路输出电压；

5、所述单片机的输出端连接补偿电路的输入端，以将所述补偿电路输出电压馈送至所述补偿电路，所述补偿电路的输出端连接所述调理电路的输入端，以通过所述调理电路根据补偿电路输出电压对敏感元件所采集到的测量电压信号进行电压校准。

6、进一步地，所述单片机通过通信模块连接实验室端，以当前传感器测量电压为参数使用通信模块向实验室端请求标准电压源，同样在标准电压源输出电压经过传感器端相同的卫星共视时频转化流程获得标准电压频率信号和标准电压脉冲信号和卫星脉冲信号，经过实验室上位机计算得标准电压频率信号、标准电压脉冲信号与卫星脉冲信号之间的时间差后再通过网络将时间差信号传送回单片机，所述单片机根据时间差信号确定补偿电路输出电压。

7、进一步地，所述卫星共视时频转化流程包括：

8、以单片机作为被校准端，实验端作为校准端，校准端和被校准端的钟时间分别为ta和tb，gps时间为tgps，校准端和被校准端原子钟秒脉冲与gps秒脉冲的时差分别为δtbgps和δtagps，关系如下：

9、δtbgps＝tb-tgps     (1)

10、δtagps＝tg-taps     (2)

11、δtagps-δtbgps＝ta-tb＝δtab   (3)

12、经过多次测量后得到δtabi，经由两次卫星信号在一段时间内平均相对频率偏差为：

13、

14、其中fa和fb分别为标准端和校准端的时钟频率，t为平均时间间隔。

15、在传感器自校准系统中，通过单片机通过计数器将平均时间间隔τ中的传感器电压脉冲n1和标准电压脉冲方波n2周期计数，从而获得传感器电压输出频率fout1与标准端电压输出频率fout2。

16、电压传感器的电压频率公式取决于具体的传感器类型和工作原理。一般来说，电压传感器是将输入电压转换为输出频率的传感器。在这类传感器中，输出频率与输入电压之间的关系通常是线性的。电压传感器的电压频率公式可以表示为：

17、输出频率：

18、fout＝φ(vin)+f0      (5)

19、其中，

20、fout是传感器的输出频率，通常以赫兹(hz)为单位。

21、vin是传感器的输入电压，通常以伏特(v)为单位。

22、φ(·)是电压到频率的转换函数，表示单位电压线性或非线性变化导致输出频率的变化。转换系数的单位是赫兹/伏特(hz/v)。

23、f0是输出频率的偏移，表示在输入电压为零时，输出的基本频率。偏移的单位也是赫兹(hz)。

24、在一般电压传感器中φ(·)一般为线性关系k。而在非线性关系中采用多项拟合方式：

25、φ(f)＝a0 + a1 × vin + a2 × vin2 + ... + an × vinn (6)

26、其中a0、a1...为拟合系数，可以通过实验数据拟合得到。

27、最后在使用频率校准公式5.4得到频率偏差δf，经过电压频率公式计算设置补偿实现电压反馈校准电压传感器。

28、其中设置的反馈补偿电压来自于电压频率公式反推得来：

29、vf(f)＝argφ(δf-f0)      (7)

30、其中vf(f)为设置的补偿频率电压。

31、进一步地，所述实验端包括上位机、计数器模块、实验端卫星信号接收模块、压频转换模块和标准电压源，所述上位机连接标准电压源以设置标准电压，所述标准电压源连接压频转换模块，以输出标准电压，所述压频转换模块分别连接实验端卫星信号接收模块与计数器模块，以将标准电压转换为电压频率信号和电压脉冲信号分别馈送至所述实验端卫星信号接收模块与计数器模块；所述实验端卫星信号接收模块连接所述计数器模块，以将电源电压频率信号作为参考频率输出卫星脉冲信号至所述计数器模块，所述计数器模块连接所述上位机，以根据所述卫星脉冲信号、电压脉冲信号计算得到标准电压源时间差馈送至所述上位机，所述上位机通过通信模块将所述标准电压源时间差馈送至所述单片机。

32、进一步地，所述计数器模块根据卫星共视时频转化流程计算得到标准电压源卫星共视时差馈送至所述上位机，所述上位机通过通信模块将所述标准电压源卫星共视时差馈送至所述单片机。

33、进一步地，所述单片机根据电压误差、标准电压源时间差和标准电压源卫星共视时差确定补偿电路输出电压。

34、进一步地，所述单片机包括单片机io、单片机处理器、第一计数器和第二计数器，所述单片机io与所述单片机处理器、第一计数器和第二计数器均信号连接，所述第一计数器用于根据卫星脉冲信号和传感器电压频率计算得到卫星脉冲时间信号并馈送至所述单片机处理器，所述第二计数器用于根据传感器电压频率和电压脉冲信号计算得到传感器电压脉冲时间信号并输出至所述单片机处理器，所述单片机处理器根据所述卫星脉冲时间信号和传感器电压脉冲时间信号计算出时间差以确定电压误差

35、本发明的有益效果是：

36、1)提高测量精度：通过利用卫星共视技术和多视角图像数据的分析和比对，系统能够推断传感器的校准状态，并自校准传感器的测量结果。这样可以消除误差和不确定性，大大提高传感器的测量精度。

37、2)提高可靠性和耐用性：通过冗余设计和备用传感器的切换，系统能够在传感器故障或损坏时保持正常运行。这种设计提高了系统的可靠性和稳定性，减少了系统故障对实际应用的影响。

38、3)适应复杂环境条件：该系统能够应对复杂的环境条件，包括温度变化、部件老化和机械振动等。通过频繁的校准和数据融合，系统能够消除这些因素对测量结果的影响，确保传感器在复杂环境中的准确性和可靠性。