本发明专利技术公开了一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，包括盖子、底座以及安装在盖子和底座内部之间的PCB线路板，所述盖子的顶部靠近两侧边缘处均开设有固定孔，所述盖子的顶部中心处开设有空气通过口，所述盖子的顶部开设有第一螺丝过孔，所述盖子的内部顶面中心处固定有第一连接圆管，所述盖子的内部顶面且位于第一连接圆管的内部处固定有方形进气通道管。本发明专利技术中，采用的微风速传感器受环境温度和湿度的影响较小，并且通过温度标定可以进一步减小由于温度变化产生的误差，在单片机内使用卡尔曼滤波对采集到的电压信号进行滤波处理，有效抑制和防止了电路中噪声对电压信号的干扰，使得输出结果更加精确，扰动非常小。小。小。
【技术实现步骤摘要】
一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器
[0001]本专利技术属于微风速传感器
，具体为一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器。
技术介绍
[0002]微风速传感器用于测量0～1.0m/s的微小风速。主要应用场景为生物实验室通风柜中测量其中空气流动的速度。微风速传感器采用了多传感器融合的方案。传统的微风速传感器多采用PT20电阻检测微风速，NTC热敏电阻检测环境温度；此外采用单片机接收电压信号，通过单片机程序处理并输出反馈电压。微风速传感器的原理：一定风速的空气流经微风速传感器，带走处于微风速传感器测速通道中PT20热量，为了保持温度恒定，需要增加发热，因此可以检测到电压的变化，利用电压
‑
风速的关系式来测量风速大小。
[0003]但是，现有技术中，现有的微风速传感器在使用上存在的缺点：
[0004]1.当环境温度发生变化时，测量误差增大；如当环境温度升高4℃时，产生的误差约为满量程的30％。
[0005]产生原因：PT20电阻依靠温度正常工作，当环境温度改变时影响到了PT20电阻的正常输出电流，导致测量值产生误差。
[0006]2.在风速恒定、温度不变的环境条件下，电压信号受到干扰，产生偏差约为满量程的5％。
[0007]产生原因：电路中存在噪声，使得单片机接收到的电压信号不准，因此产生风速的测量误差，传统产品滤波处理简单，不能有效处理正态分布的随机信号噪声导致的测试结果不稳定。
[0008]3.测量微风速采用的芯片PT20发热严重，在正常工作的情况下芯片温度达到70℃以上，导致测量环境温度的NTC热敏电阻需要放置在距离测速通道较远的地方，使得测量到的温度与实际环境温度差距较大。
[0009]产生原因：由现有的技术方案的原理产生的问题。
技术实现思路
[0010]本专利技术的目的在于：采用多传感器融合的方式对微风速进行测量，测量风速的微风速传感器选用基于MEMS半导体芯片的WIN系列数字风速计的SMD贴片封装类型，测量环境温度的温度方案选用NTC热敏电阻方案，对信号处理则采用了STM32F072CBT6单片机，对电压信号由模拟量转换为数字量后的滤波部分使用了卡尔曼滤波以降低噪声带来的影响。
[0011]本专利技术采用的技术方案如下：一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，包括盖子、底座以及安装在盖子和底座内部之间的PCB线路板，所述盖子的顶部靠近两侧边缘处均开设有固定孔，所述盖子的顶部中心处开设有空气通过口，所述盖子的顶部开设有第一螺丝过孔，所述盖子的内部顶面中心处固定有第一连接圆管，所述盖子的内部顶面且位于第一连接圆管的内部处固定有方形进气通道管，且方形进气通道管的顶部与空气通过
口连通；
[0012]所述底座的内部底面靠近两侧边缘处均固定有支撑柱，两个所述支撑柱的内部均开设有第一螺纹孔，所述底座的外表面等距开设有三个调试孔，所述底座的内部底面中心处固定有第二连接圆管，所述底座的一侧开设有放置槽，所述底座的底部中心处开设有进风口；
[0013]所述PCB线路板的中心处开设有圆形通孔，所述PCB线路板的底部靠近圆形通孔的一侧固定有微风速传感器，所述PCB线路板的底部靠近一侧边缘处固定有接线端子，所述接线端子位于放置槽的内部。
[0014]其中，所述PCB线路板的顶部靠近边缘处分别开设有两个第二螺纹孔和一个第二螺丝过孔。
[0015]其中，所述第二螺纹孔和第一螺纹孔的内表壁之间螺纹连接有螺丝钉。
[0016]其中，所述微风速传感器的中心处开设有长方形过孔，且长方形过孔的内径与方形进气通道管的内径相等。
[0017]其中，所述底座的底部靠近进风口的一侧开设有内六角凹槽，所述第一螺丝过孔和第二螺丝过孔的内表壁之间螺纹连接有螺丝长钉，且螺丝长钉的底端延伸至内六角凹槽的内部。
[0018]其中，所述螺丝长钉的底端螺纹套设有螺母，且螺母位于内六角凹槽的内部。
[0019]其中，所述微风速传感器采用MEMS半导体芯片的WIN数字风速计的SMD贴片封装，所述PCB线路板包括有NTC热敏电阻和STM32F072CBT6单片机。
[0020]一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器的测量方法，包括以下步骤：
[0021]S1、一定风速的空气从微风速传感器的测速通道流过，微风速传感器接收后以差分电压信号的形式发送信号；
[0022]S2、通过NTC热敏电阻的电压信号处理为0～3.3V范围的直流电压信号后传递到单片机上；
[0023]S3、在自建的小型风洞中对电压
‑
风速关系进行测量，取多组数据进行多项式拟合，且拟合优度R2＝0.999，将拟合出来的多项式作为电压
‑
风速的映射关系；
[0024]S4、通过控制自建的小型风洞中的空气温度，在不同的恒定环境温度下进行多次标定，得出不同温度下的电压
‑
风速关系式，用以减小由温度变化产生的误差。
[0025]其中，在S2的操作步骤中，还包括以下步骤：
[0026]S201、环境温度的信号处理：通过NTC热敏电阻的计算公式计算，将接收到的直流电压信号转化为实际温度；
[0027]S202、风速信号处理：通过电压
‑
风速关系式将接收到的直流电压信号进行计算得出对应风速大小；
[0028]S203、根据标定好的关系式，选用对应环境温度下的电压
‑
风速关系式将电压信号映射为风速；
[0029]S204、采集环境温度与微风速传感器芯片的微压差信号，建立非线性动态系统下的卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，根据卡尔曼滤波的状态方程和观测方程，建立卡尔曼滤波模型；
[0030]S205、确定非线性动态系统的初始化状态，即确认初始历元的状态参数初值，方差
矩阵初值以及动态噪声初始方差矩阵；
[0031]S206、基于初始历元的状态方程和观测方程，由卡尔曼滤波递推方程对状态参数初值，方差矩阵初值及动态噪声方差矩阵进行滤波，获取新的滤波值；
[0032]S207、根据当前的测量的风速和上一时刻的预测的风速和误差，计算得到当前的最优风速，再预测下一时刻的风速。
[0033]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0034]1、本专利技术中，采用的微风速传感器受环境温度和湿度的影响较小，并且通过温度标定可以进一步减小由于温度变化产生的误差，在单片机内使用卡尔曼滤波对采集到的电压信号进行滤波处理，有效抑制和防止了电路中噪声对电压信号的干扰，使得输出结果更加精确，扰动非常小。
[0035]2、本专利技术中，采用的微风速传感器芯片发热量较小，对环境温度造成的影响在
技术介绍
的条件下几乎可以忽略不计，因此NTC热敏电阻可以放在更接近微风速传感器测速通道的地方，使其对环境温度的测量更为准确，具有精度高，误差小，稳定性好，并且有效解决了环境温度对传统风速传感器影本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，包括盖子(1)、底座(6)以及安装在盖子(1)和底座(6)内部之间的PCB线路板(3)，其特征在于：所述盖子(1)的顶部靠近两侧边缘处均开设有固定孔(2)，所述盖子(1)的顶部中心处开设有空气通过口(12)，所述盖子(1)的顶部开设有第一螺丝过孔(11)，所述盖子(1)的内部顶面中心处固定有第一连接圆管(18)，所述盖子(1)的内部顶面且位于第一连接圆管(18)的内部处固定有方形进气通道管(17)，且方形进气通道管(17)的顶部与空气通过口(12)连通；所述底座(6)的内部底面靠近两侧边缘处均固定有支撑柱(14)，两个所述支撑柱(14)的内部均开设有第一螺纹孔(4)，所述底座(6)的外表面等距开设有三个调试孔(20)，所述底座(6)的内部底面中心处固定有第二连接圆管(19)，所述底座(6)的一侧开设有放置槽(8)，所述底座(6)的底部中心处开设有进风口(15)；所述PCB线路板(3)的中心处开设有圆形通孔(9)，所述PCB线路板(3)的底部靠近圆形通孔(9)的一侧固定有微风速传感器(16)，所述PCB线路板(3)的底部靠近一侧边缘处固定有接线端子(13)，所述接线端子(13)位于放置槽(8)的内部。2.如权利要求1所述的一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，其特征在于：所述PCB线路板(3)的顶部靠近边缘处分别开设有两个第二螺纹孔(301)和一个第二螺丝过孔(5)。3.如权利要求2所述的一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，其特征在于：所述第二螺纹孔(301)和第一螺纹孔(4)的内表壁之间螺纹连接有螺丝钉。4.如权利要求1所述的一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，其特征在于：所述微风速传感器(16)的中心处开设有长方形过孔(1601)，且长方形过孔(1601)的内径与方形进气通道管(17)的内径相等。5.如权利要求2所述的一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，其特征在于：所述底座(6)的底部靠近进风口(15)的一侧开设有内六角凹槽(21)，所述第一螺丝过孔(11)和第二螺丝过孔(5)的内表壁之间螺纹连接有螺丝长钉(10)，且螺丝长钉(10)的底端延伸至内六角凹槽(21)的内部。6.如权利要求5所述的一种基于卡尔曼滤波算法的通风柜微风速传感器，其特征在于：所述螺丝长钉(10)的底端螺纹套设有螺母(7)，且螺母(7)位于内六角...
【专利技术属性】
技术研发人员：程鹏，冯国建，彭凌捷，
申请(专利权)人：上海物图智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。