一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法

一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法。将3组固定阻值电阻分别接入光纤陀螺温控装置测温电路中，该固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路输入信号进行虚拟温度数据采集，除去温度数值不是恒定值的虚拟温度数据，利用最小二乘算法分别对三组虚拟温度数据进行拟合，在满足拟合误差指标同时得到温度系数，最后利用固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入进行测量，并与固定阻值电阻对应的标准温度值进行比较，若误差小于0.03℃则完成标定，否则需要检查温控装置电路板并重新标校。本发明具有操作简单、标定精确的特点，进而提高光纤陀螺测温精度。
【专利说明】
-种基于最小二乘的光纤陀螺溫控装置溫度系数标定方法
技术领域 本发明属于光纤巧螺溫度控制领域，尤其设及一种基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置 溫度系数标定方法。
【背景技术】 光纤巧螺作为惯性导航中的理想器件，具有全固态、可靠性高、可瞬时启动、无机械转 动部件、结构简单等优点，成为当今船舶惯性导航领域竞争力极强的新型巧螺仪。但是溫度 因素是光纤巧螺研制和工程化过程中亟需解决的重要课题，光纤巧螺中光学器件的性能受 溫度因素影响很大，由于光纤环中存在溫度梯度效应，产生的热量会导致非互易性噪声，严 重影响光纤巧螺的输出精度。因此，采用溫度控制系统对光纤巧螺仪的工作环境进行恒溫 控制，解决溫度因素对光纤巧螺内部元器件的影响，从而提高光纤巧螺的输出精度。对光纤 巧螺实现精确溫度控制的前提是保障测溫精度，然而在实际溫度测量电路中，由于很难保 证元器件电阻值与设计值完全吻合，而且元器件的不同特性、连接线路电阻、测溫电路供电 电源的稳定性、人为操作带来的误差等都会影响溫度测量电路的输出，从而影响最终溫度 测量的精度，因此需要对溫度测量系数进行补偿校正W便达到高精度输出。 在众多溫度测量方案中测溫电桥是比较常见的一种，它测量原理简单、灵敏度高且应 用十分广泛。测溫电桥的原理是把反映溫度变化的电阻等参数的变化换成电压或电流的变 化，从而便于信号的放大和处理。本发明所提到的光纤巧螺溫控装置溫度测量电路采用的 是恒压源单臂电桥测溫电路，测溫电路中的溫度传感器选用的是准确度高、测溫范围广、稳 定性好的销电阻。然而电桥输出电压与销电阻阻值变化不是线性关系，使得测溫计算变得 困难且精度不高，很难满足高精度的测溫要求。因此，需要对电桥的测量结果进行补偿校 正，本发明提出一种基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，通过重新标定 溫度系数，W达到更高的测溫精度的测溫需求。

【发明内容】
本发明的目的是提供一种能够提高测溫精度的，于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度 系数标定方法。 一种基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，包括W下步骤： 步骤一:将光纤巧螺安装在溫控装置中； 步骤二:取固定阻值电阻A接入光纤巧螺溫控装置测溫电路中，该固定电阻值作为光纤 巧螺溫控装置测溫电路的输入信号，进行虚拟溫度数据采集，采集虚拟溫度数据t分钟，计 算机接收并保存虚拟溫度数据； 步骤取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C，重复步骤二进行虚拟溫度数据采集； 步骤四：将得到的3组虚拟溫度数据中溫度数值不是恒定值的虚拟溫度数据去除，只保 留数值恒定的虚拟溫度数据并保存成txt格式； 步骤五：导入得到的3组txt格式的虚拟溫度数据，通过最小二乘算法分别对3组txt格 式的虚拟溫度数据进行拟合，得到溫度系数;若拟合误差小于等于〇.〇3°C，则保存得到的溫 度系数，实现初步标定;若拟合误差大于0.03 °C，则检查溫控装置电路板从步骤一重新开始 操作； 步骤六:将步骤五中初步标定得到的溫度系数重新编写入光纤巧螺溫控装置的单片机 中； 步骤屯:对步骤五中初步标定得到的溫度系数进行测试； 再次运行系统，利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤巧螺溫控装置测溫电路的输入 信号，进行溫度测量;将测量的得到的3个虚拟溫度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个 标准溫度值进行比较，若溫度误差小于等于〇.〇3°C则完成标定;若溫度误差大于0.03°(：，贝。 检查溫控装置电路板并从步骤一开始重新标定。 本发明一种基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，还可W包括： 1、 固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成。 2、 基于最小二乘拟合算法，采用数据拟合的方式对溫度系数进行标定，溫度数据拟合 表达式为:T椅隹=k* T廚R+b，式中，T椅隹表示固定阻值电阻所对应的标准溫度值，T廚R表示利用 固定电阻值作为光纤巧螺溫控装置测溫电路的输入信号测量得到的虚拟溫度值，k、b表示 标定得到的溫度系数。 3、 固定阻值电阻对应的标准溫度值由销电阻阻值与溫度值的对应关系计算得到。 有益效果： (1) 基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，能实现对测溫电桥输出的 电压信号与销电阻溫度传感器电阻值之间非线性关系的有效补偿，提高测溫电桥的输出精 度。 (2) 基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，操作简单、易于实现，在提 高测溫电路测溫精度的同时，间接提高了控溫精度，有效保障了光纤巧螺工作环境溫度的 稳定性，有利于提高其输出数据的精度。 (3) 基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，不受周围环境溫度影响，可 W在室溫条件下完成标定工作。 (4) 基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，在进行溫度系数初步标定 时，若拟合误差大于〇.〇3°C则可W协助判定溫控装置测溫电路是否出现故障。
【附图说明】 图1基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法流程图； 图2基于最小二乘算法的测溫曲线拟合结果图。
【具体实施方式】 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明 本发明的目的在于提供一种实现基于最小二乘算法的光纤巧螺溫控装置溫度系数标 定方法，解决针对测溫电路输出电压和溫度传感器电阻值不是线性关系的问题，通过标定 得到高精度的溫度系数。该方法操作简单且大大提高了光纤巧螺溫控装置测溫电路输出电 压和溫度传感器电阻值的线性度，进而保障了测溫精度。 本发明的目的是运样实现的:一种基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方 法实现步骤如下： (1) 将光纤巧螺安装在溫控装置中，同时将溫控程序下载到溫控装置电路板的单片机 中； (2) 取固定阻值电阻A接入光纤巧螺溫控装置测溫电路中，该固定电阻值作为光纤巧螺 溫控装置测溫电路的输入信号，进行虚拟溫度数据采集，采集虚拟溫度数据5分钟，计算机 利用溫度数据接收软件接收并保存虚拟溫度数据；
[0008]所设及的固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成； (3) 取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C，重复步骤(2)进行虚拟溫度数据采集，得 到3组虚拟溫度数据;将得到的3组虚拟溫度数据中溫度数值不是恒定值的虚拟溫度数据去 除，只保留数值恒定的虚拟溫度数据并保存成txt格式； (4) 运行MATLAB软件，导入步骤(3)中得到的3组txt格式的虚拟溫度数据，通过最小二 乘算法分别对3组txt格式的虚拟溫度数据进行拟合，得到溫度系数;若拟合误差小于等于 0.03 °C，则保存得到的溫度系数，实现初步标定;若拟合误差大于0.03°C，则检查溫控装置 电路板从步骤(1)重新开始操作； (5) 将步骤(4)中初步标定得到的溫度系数重新编写入光纤巧螺溫控装置的溫控程序 中，并下载到溫控装置电路板的单片机中； (6) 对步骤(4)中初步标定得到的溫度系数进行测试； 再次运行系统，利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤巧螺溫控装置测溫电路的输入 信号，进行溫度测量;将测量的得到的3个虚拟溫度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个 标准溫度值进行比较，若溫度误差小于等于〇.〇3°C则完成标定;若溫度误差大于0.03°(：，贝。 检查溫控装置电路板并从步骤(1)开始重新标定。 基于最小二乘拟合算法所依据的准则是使拟合误差的平方和达到最小，采用数据拟合 的方式对溫度系数进行标定，溫度数据拟合表达式为:A雕=k*T廚R+b，式中，T椅隹表示固定阻 值电阻所对应的标准溫度值，T廚R表示利用固定电阻值作为光纤巧螺溫控装置测溫电路的 输入信号测量得到的虚拟溫度值，k、b表示标定得到的溫度系数。 固定阻值电阻对应的标准溫度值由销电阻阻值与溫度值的对应关系计算得到。 本发明设及一种基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法，将3组固定阻 值电阻分别接入光纤巧螺溫控装置测溫电路中，该固定电阻值作为光纤巧螺溫控装置测溫 电路输入信号进行虚拟溫度数据采集，除去溫度数值不是恒定值的虚拟溫度数据并保存成 txt格式，运行MATLAB软件分别导入3组虚拟溫度数据，利用最小二乘算法分别对S组虚拟 溫度数据进行拟合，在满足拟合误差指标同时得到溫度系数，最后利用固定电阻值作为光 纤巧螺溫控装置测溫电路的输入进行测量，并与固定阻值电阻对应的标准溫度值进行比 较，若误差小于〇.〇3°C则完成标定，否则需要检查溫控装置电路板并重新标校。本发明具有 操作简单、标定精确的特点，进而提高光纤巧螺测溫精度。 如图2所示，给出了基于最小二乘算法的测溫曲线拟合结果图。在对测量得到的虚拟溫 度数据和固定电阻值对应的标准溫度数据使用最小二乘算法进行数据拟合时发现:拟合范 围越小，线性度越强。因此采用分段线性拟合的方法。本发明在使用最小二乘算法对溫度数 据进行分段拟合时的具体做法如下：将测溫电路的测溫范围分成几个段，在每个分段的溫 度范围内对应选取几个不同阻值的固定电阻，首先测出其真实的电阻值，通过销电阻溫度 传感器电阻值与溫度值的对应关系计算得到固定电阻值所对应的标准溫度值T椅隹。再把固 定电阻值接入光纤巧螺溫控装置测溫电路中，并作为测溫电路输入信号测量得到虚拟溫度 值T廚R，Wt廚R为横坐标，T椅t为纵坐标进行直线拟合。 溫度数据拟合表达式为:雅=k*T廚R+b，k、b表示标定得到的溫度系数。 如图1所示，本发明所述的基于最小二乘的光纤巧螺溫控装置溫度系数标定方法包括 W下步骤： (1) 将光纤巧螺安装在溫控装置中，同时将溫控程序下载到溫控装置电路板的单片机 中； (2) 取固定阻值电阻接入光纤巧螺溫控装置测溫电路中，该固定电阻值作为光纤巧螺 溫控装置测溫电路的输入信号进行虚拟溫度数据采集，由于光纤巧螺的工作环境溫度范围 一般为20°C~40°C之间，所W在采用最小二乘算法进行拟合时主要对20°C~40°C范围内的 溫度数据进行数据拟合； 光纤巧螺溫控装置测溫电路采用销电阻PtlOOO作为溫度传感器，其电阻变化率为 3.851 Q / °C，Pt 1000在(TC时的电阻值为1 k Q，溫度每变化rC其阻值变化3.851 Q。当销电 阻PtlOOO的电阻值为RQ时，其对应的环境溫度值女
根据溫度传感器PtlOOO电阻值与溫度值的对应关系在20°C~40°C范围内选取3个阻值 分别为 1.10178化Q、1.131019kQ、1.151019kQ 的固定电阻值(阻值由Agilent3458A8i/2万 用表测量），其对应的标准溫度值分别为26.125°C、33.70°C、38.865°C，并将该3个固定电阻 值作为测溫电路的输入信号进行测量，采集虚拟溫度数据5分钟，计算机利用溫度数据接收 软件接收并保存虚拟溫度数据； 所设及的固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成； (3) 取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C，重复步骤(2)进行虚拟溫度数据采集，得 到3组虚拟溫度数据;将得到的3组虚拟溫度数据中溫度数值不是恒定值的虚拟溫度数据去 除，只保留数值恒定的虚拟溫度数据并保存成txt格式； 将步骤(3)中得到txt格式的虚拟溫度数据进行平均，得到的测溫结果如下表所示：
(4) 运行MATLAB软件，导入步骤(3)中得到的3组txt格式的虚拟溫度数据，通过最小二 乘算法分别对3组txt格式的虚拟溫度数据进行拟合，得到溫度系数;若拟合误差小于等于 0.03 °C，则保存得到的溫度系数，实现初步标定;若拟合误差大于0.03°C，则检查溫控装置 电路板从步骤(1)重新开始操作； (5) 将步骤(4)中初步标定得到的溫度系数重新编写入光纤巧螺溫控装置的溫控程序 中，并下载到溫控装置电路板的单片机中； (6) 对步骤(4)中初步标定得到的溫度系数进行测试； 再次运行系统，利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤巧螺溫控装置测溫电路的输入 信号，进行溫度测量;将测量的得到的3个虚拟溫度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个 标准溫度值进行比较，若溫度误差小于等于〇.〇3°C则完成标定;若溫度误差大于0.03°(：，贝。 检查溫控装置电路板并从步骤(1)开始重新标定。
【主权项】
1. 一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法，其特征在于:包括以下 步骤： 步骤一:将光纤陀螺安装在温控装置中； 步骤二:取固定阻值电阻A接入光纤陀螺温控装置测温电路中，该固定电阻值作为光纤 陀螺温控装置测温电路的输入信号，进行虚拟温度数据采集，采集虚拟温度数据t分钟，计 算机接收并保存虚拟温度数据； 步骤三:取另外2组阻值不同的固定阻值电阻B、C，重复步骤二进行虚拟温度数据采集； 步骤四：将得到的3组虚拟温度数据中温度数值不是恒定值的虚拟温度数据去除，只保 留数值恒定的虚拟温度数据并保存成txt格式； 步骤五：导入得到的3组txt格式的虚拟温度数据，通过最小二乘算法分别对3组txt格 式的虚拟温度数据进行拟合，得到温度系数;若拟合误差小于等于0.03Γ，则保存得到的温 度系数，实现初步标定;若拟合误差大于〇. 03°C，则检查温控装置电路板从步骤一重新开始 操作； 步骤六:将步骤五中初步标定得到的温度系数重新编写入光纤陀螺温控装置的单片机 中； 步骤七:对步骤五中初步标定得到的温度系数进行测试； 再次运行系统，利用固定阻值电阻A、B、C分别作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入 信号，进行温度测量;将测量的得到的3个虚拟温度值分别与固定阻值电阻A、B、C对应的3个 标准温度值进行比较，若温度误差小于等于0.03Γ则完成标定;若温度误差大于0.03Γ，则 检查温控装置电路板并从步骤一开始重新标定。2. 根据权利要求1所述的一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法， 其特征在于:所述的固定阻值电阻由阻值不同的高精度电阻通过串、并联组成。3. 根据权利要求1所述的一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方法， 其特征在于:所述的基于最小二乘拟合算法，采用数据拟合的方式对温度系数进行标定，温 度数据拟合表达式为式中，1>滩表示固定阻值电阻所对应的标准温度值， T虛R表示利用固定电阻值作为光纤陀螺温控装置测温电路的输入信号测量得到的虚拟温度 值，k、b表示标定得到的温度系数。4. 根据权利要求1或3所述的一种基于最小二乘的光纤陀螺温控装置温度系数标定方 法，其特征在于：固定阻值电阻对应的标准温度值由铂电阻阻值与温度值的对应关系计算 得到。
【文档编号】G01K15/00GK105953946SQ201610265826
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】程建华, 于天琦, 刘萍, 陈岱岱, 刘亚, 费再慧, 蒋国桉, 董楠楠, 于东伟, 刘柱
【申请人】哈尔滨工程大学