一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，涉及小信号处理的技术领域。具体的说，是一种采用分段拟合法，以达到提高测量准确度、减小测量数据转换误差、拟合非线性曲线以增强测量精度拟合效果。本发明专利技术采用分段直线拟合方法建立数学模型，将pH温度系数KpH标定曲线划分为几个区间，然后用最小二乘法拟合出相应的直线方程，并计算直线拟合精度，若精度低于阀值，则重新划分区间进行拟合，直到精度满足要求为止，进而实现温度补偿。本发明专利技术是一种简单、快捷、精准的数学模型，有效提高数据采集准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法
本专利技术涉及小信号处理的
，特别涉及一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法。
技术介绍
在水质参数测量过程中，其测量电路虽然实现了对传感器微弱信号采集，但它的输出电压还不能反映与被测对象物理量的数学关系，还需建立相关的数学模型，实现水质参数测量电路输出电压与被测对象物理量的转换。另外，水质传感器电极的制作材料和结构易受温度的影响，从而降低水质参数测量的准确性，因此在建立水质参数测量数学模型时，需要考虑温度的影响，实现温度补偿。温度补偿包括硬件温度补偿和软件温度补偿两种方法，硬件温度补偿需要对硬件电路反复调试，且补偿的温度范围及精度都不能满足要求，而软件温度补偿可以避免硬件调试繁琐的不足，并且补偿精度较高，本专利技术的一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法恰如其分的展现了这一功能，应时而生。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，避免硬件温度补偿调试繁琐、补偿精度不高的弊端，提高了测量的准确性。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，包括下述步骤：S1、将复合电极置于被测溶液中，获取标定的实验数据；S2、通过测量电极输出电动势反映被测溶液的pH值，pH电极的输出电压经调理电路后转换为：VpH＝KpH(T)(pH-7)+V0，VpH与被测溶液pH值之间满足线性关系；S3、采用分段直线拟合方法建立KpH的数学模型，用最小二乘法拟合出相应的直线方程，分段区间通过拟合精度和拟合误差控制的寻优方法确定；S4、求出每个区间的拟合直线计算精度R2，若精度越趋近于1表明拟合效果越好，设置一个精度阀值θ，若R2小于θ，则重新划分区间进行拟合，直到精度满足要求为止；S5、整合各区间拟合直线方程，对PH电极的输出电压VpH＝KpH(T)(pH-7)+V0进行温度补偿。优选的，步骤S1中，所述复合电极由玻璃电极和甘汞电极组成，玻璃电极的头部球泡由仅对氢离子敏感的敏感薄膜制成，在酸度测量中作为指示电极，甘汞电极作为参考电极。优选的，所述敏感薄膜由碱金属氧化物替代部分SiO2烧结成的玻璃，与溶液中的氢离子有良好反应，所述敏感薄膜中还添加有La2O3和Nb2O5。优选的，步骤S3中，对KpH与温度T的曲线上若干个点进行最小二乘法拟合直线，得拟合直线方程为K′pH＝A+BT。优选的，采用最小二乘法拟合直线的具体步骤为：设KpH与温度T的曲线上有若干个点(T1，KpH(1))，(T2，KpH(2))，…，(Ti，KpH(i))，…(Tn，KpH(n))，假设拟合直线方程为K'pH＝A+BT(1)，则拟合直线与标定曲线相应点输出量偏差平方和为：按最小二乘法，使φ(A,B)为最小，分别对A，B求偏导数，并令其为零得：整理式(3)、(4)得：将T、KpH标定数据代入式(5)、(6)，形成关于A、B的二元方程组，解得A、B值，即可求出拟合直线方程K'pH＝A+BT。优选的，拟合直线方程如下：优选的，步骤S4中，对每个区间的拟合直线计算精度，精度的计算公式如下：本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术采用分段直线拟合方法建立数学模型，将pH温度系数KpH标定曲线划分为几个区间，然后用最小二乘法拟合出相应的直线方程，并计算直线拟合精度，若精度低于阀值，则重新划分区间进行拟合，直到精度满足要求为止，进而实现温度补偿；通过对数据分段拟合处理，有效提高数据采集准确度。2、本专利技术采用分段直线拟合方法建立KpH的数学模型，用最小二乘法拟合出相应的直线方程，分段区间通过拟合精度和拟合误差控制的寻优方法确定。所述最小二乘法是一种数学优化技术，使用最小二乘法直线拟合可以获得较高的精度。3、本专利技术用软件温度补偿的方法对pH电极进行温度补偿，避免硬件温度补偿调试繁琐、补偿精度不高的弊端，同时提高了测量的准确性；另外本专利技术将pH温度系数KpH采用分段直线拟合较单条光滑曲线的方案，进而进行补偿，从而实现了拟合精度高，连接曲线贴近拐点，减少了震荡达到高稳定性。附图说明图1是本专利技术的分段拟合温度补偿方法结构示意图；图2是本专利技术的pH温度系数KpH与温度T的标定数据曲线图；图3是本专利技术的分段拟合温度补偿算法的流程图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例如图1所示，一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，采用软件的温度补偿的方法对pH电极进行温度补偿，同时提高了测量的准确性。分段拟合的原理如下：pH复合电极由甘汞电极和玻璃电极组成，在测量中玻璃电极作为指示电极，甘汞电极作为参考电极，指示电极与参考电极之间的电动势反映溶液中酸碱度变化；所述复合电极的玻璃电极的头部球泡由仅对氢离子敏感的敏感薄膜制成，在酸度测量中作为指示电极，甘汞电极作为参考电极；敏感薄膜为一种由碱金属氧化物(如氧化锂、氧化钠等)替代部分SiO2烧结成的玻璃(可能添加部分其他成分如La2O3、Nb2O5等)，能与溶液中的氢离子有良好反应。pH电极的输出电压经调理电路后转换为：VpH＝KpH(T)(pH-7)+V0(1)式中，VpH为pH测量电路输出电压，V；V0为pH＝7时pH测量电路输出电压，V；KpH是随温度而变化的系数。由式(1)可知，VpH与被测溶液pH值之间满足线性关系，但溶液温度影响斜率和截距。因此为保证pH测量的准确性，需要对电极进行温度补偿。温度补偿包括硬件温度补偿和软件温度补偿两种方法，采用硬件对温度进行补偿需要对硬件电路反复调试，且补偿的温度范围及精度都不能满足要求，而软件温度补偿可以弥补硬件温度补偿的不足，且补偿精度高，因此本系统软件方法对pH电极进行温度补偿。根据pH传感器标定数据，绘制KpH与温度的曲线，如图2所示，从图中可以看出，KpH随温度的上升而呈非线性增加，选择正确的曲线模型在实际中是很困难的，若使用低次曲线拟合，精度不高，使曲线远离拐点；高次则会存在较大的震荡，结果稳定性差，所以难以用一条光滑的曲线去表达。事实上KpH在不同的数据区域保持了较强的线性关系，因此采用分段直线拟合较单条光滑曲线更符合KpH的变化规律。如图3所示，其方法具体如下：首先将KpH标定曲线划分为几个区间，然后用最小二乘法拟合出相应的直线方程，并计算直线拟合精度，若精度低于阀值，则重新划分区间进行拟合，直到精度满足要求为止。1)最小二乘法拟合直线设KpH与温度T的曲线上有若干个点(T1，KpH(1))，(T2，KpH(2))，…，(Ti，KpH(i))，…(Tn，KpH(n))，假设拟合直线方程为K'pH＝A+BT，则拟合直线与标定曲线相应点输出量偏差平方和为：按最小二乘法，使φ(A,B)为最小，分别对A，B求偏导数，并令其为零得：整理式(3)、(4)得：将T、KpH标定数据代入式(5)、(6)，形成关于A、B的二元方程组，解得A、B值，即可求出拟合直线方程K'pH＝A+BT。2)对每个区间的拟合直线计算精度0＜R2≤1，R2越趋近于1表明拟合效果越好，实际中设置一个阀值θ，若R2小于θ，则重新划分区间进行拟合，直到精度满足要求为止。3)拟合直线方程上述实施例为本专利技术较佳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、将复合电极置于被测溶液中，获取标定的实验数据；S2、通过测量电极输出电动势反映被测溶液的pH值，pH电极的输出电压经调理电路后转换为：VpH＝KpH(T)(pH‑7)+V0，VpH与被测溶液pH值之间满足线性关系；S3、采用分段直线拟合方法建立KpH的数学模型，用最小二乘法拟合出相应的直线方程，分段区间通过拟合精度和拟合误差控制的寻优方法确定；S4、求出每个区间的拟合直线计算精度R2，若精度越趋近于1表明拟合效果越好，设置一个精度阀值θ，若R2小于θ，则重新划分区间进行拟合，直到精度满足要求为止；S5、整合各区间拟合直线方程，对PH电极的输出电压VpH＝KpH(T)(pH‑7)+V0进行温度补偿。

【技术特征摘要】
1.一种水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、将复合电极置于被测溶液中，获取标定的实验数据；S2、通过测量电极输出电动势反映被测溶液的pH值，pH电极的输出电压经调理电路后转换为：VpH＝KpH(T)·(pH-7)+V0，VpH与被测溶液pH值之间满足线性关系；其中，VpH表示pH测量电路输出电压，KpH(T)为pH值随温度而变化的函数，T为函数中温度自变量，V0为pH＝7时pH测量电路输出电压；S3、采用分段直线拟合方法建立KpH(T)的数学模型，用最小二乘法拟合出相应的直线方程，分段区间通过拟合精度和拟合误差控制的寻优方法确定；S4、求出每个区间的拟合直线计算精度R2，若精度越趋近于1表明拟合效果越好，设置一个精度阀值θ，若R2小于θ，则重新划分区间进行拟合，直到精度满足要求为止；每个区间的拟合直线计算精度R2的计算公式如下：S5、整合各区间拟合直线方程，对pH电极的输出电压VpH＝KpH(T)·(pH-7)+V0进行温度补偿。2.根据权利要求1所述的水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，其特征在于，步骤S1中，所述复合电极由玻璃电极和甘汞电极组成，玻璃电极的头部球泡由仅对氢离子敏感的敏感薄膜制成，在酸度测量中作为指示电极，甘汞电极作为参考电极。3.根据权利要求2所述的水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，其特征在于，所述敏感薄膜是由碱金属氧化物替代部分SiO2烧结成的玻璃，与溶液中的氢离子有良好反应，所述敏感薄膜中还添加有La2O3和Nb2O5。4.根据权利要求1所述的水质传感器小信号分段拟合温度补偿方法，其特征在于，步骤S3中，对KpH与温度T的曲线上若干个点进行最小二乘法拟合直线，得拟合直线方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卫星，姜晟，胡月明，孙道宗，吕石磊，李亮斌，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44