本发明专利技术为一种基于阶跃响应的传感器动态误差频域修正技术。针对传感器动态阶跃响应实验数据，截取实验数据中的一段并保证一定的占空比，再进行拼接处理；然后，将截取的阶跃激励数据和拼接处理后的阶跃响应数据加上矩形窗或海明窗；针对加窗后的数据，采用功率谱估计、在修正频带内进行无效值点插补和将修正频带外函数值置零的方法，得到传感器动态误差频域修正函数。采用此频域修正函数对传感器实际动态响应数据进行连续、滑动的动态误差修正，实现高精度动态测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传感器动态误差的频域修正技术，特别是一种适用于根据传感器阶跃 响应实验数据求取传感器动态误差频域修正函数并以此对传感器动态响应进行连续频域 修正的技术，解决了现有频域修正技术在对传感器阶跃响应实验数据进行动态误差修正时 存在的问题。
技术介绍
动态误差是动态测试中首先必须解决的一个问题。测量系统无失真动态测试的条 件是，测量系统的传递函数等于一个放大环节的传递函数K，也就是等于静态传递函数。换 句话说，测量系统各个环节均无惯性与阻尼等。在这种情况下，测量系统的频率特性曲线是 一条与横坐标平行的直线。但是，在实际中传感器以及整个测量系统的频率响应总是有限 的，即不可能是一条与频率轴平行的直线，特别是传感器的频率响应范围往往成为限制整 个测量系统频率响应的主要环节。由于传感器幅频特性的不平坦，因而被测信号中的各次 谐波，有的被放大，有的被衰减。由于传感器相频特性不是理想的直线，因而各次谐波之间 的相位差也改变了。这些使得传感器输出信号与输入信号之间存在着畸变。这就是所谓的 “动态误差”。它与静态测试中的系统误差不同。传感器动态误差无法用一个系数去修正。 这是因为整个响应曲线都发生了畸变，并且与被测信号的频谱有关。黄俊钦简要介绍了三种传感器动态误差的修正方法频率域修正法、数值微分法 和叠加积分法(黄俊钦，测试系统动力学，北京国防工业出版社，1996年，pp. 51-55，第2 章第6节动态误差及无失真动态测试)。徐科军介绍了传感器动态误差修正方法，包括 频域修正法、数字微分法、叠加积分法、反滤波动态误差修正法、实时数字微分修正法，并对 频域修正方法进行了改进，还做到了频域修正方法的在线实现(徐科军，传感器动态特性 的实用研究方法，合肥中国科学技术大学出版社，1999年，pp. 101-112，第7章动态误差 修正方法)。传感器动态误差频域修正的基本步骤是(1)对传感器进行动态标定实验， 得到传感器输入和输出的实验数据；( 对传感器的输入和输出数据做快速傅里叶变换， 得到输入和输出信号的频谱，再据此求取传感器的频率响应函数；C3)根据传感器的频率 响应函数，构造相应的修正传递函数；(4)在实际测量中，得到传感器的动态响应的输出数 据后，对输出数据做傅里叶变换；( 将变换结果与修正传递函数相乘，再进行傅里叶反变 换，就得到修正后的传感器输出信号。这个经过修正后的传感器输出信号，与原来的输出信 号相比，将更接近于输入信号(被测信号)，即较为准确地反映被测信号的情况。将现有的传感器动态误差频域修正的技术应用于传感器脉冲响应的动态误差修 正，可以取得较好的效果。但是，脉冲响应实验的幅值和落点控制精度不高、重复性较差。 而阶跃响应实验具有较高的幅值控制精度和较好的重复性，且其能标定的频带更宽，还适 用于多维力传感器的力矩实验，因而在传感器的动态标定实验中应用较多。然而，将现有的 传感器动态误差频域修正技术应用于阶跃响应的动态误差修正，在求解动态误差频域修正 函数时，出现了问题。具体表现为对于同一个传感器，根据一组传感器阶跃响应实验数据4求取的传感器动态误差频域修正函数，用于另外一组阶跃响应实验数据的误差修正时，无 法得到满意的结果，有时甚至是错误的结果。而这两组数据可能仅仅是阶跃响应的起跳点 (起跳时刻)不同。这样，求取的传感器动态误差频域修正函数就没有普适性，也就无法应 用于实际传感器动态响应的误差修正。因为，在实际应用中，传感器实际响应数据与其动态 阶跃响应实验数据一般都是不一样的。针对上述问题深入分析，发现原因如下一、对传感器阶跃响应实验中的输出数据 进行基于FFT的频谱分析时，不可能也没有必要采集无限长数据，一般是采集一段数据进 行频谱分析。由于FFT机理的原因，在做频谱分析时，相当于对实验数据进行了周期延拓， 即将原来由低到高(或者由高到低)的一个阶跃波形视为一个矩形波(由低到高，再由高 到低；或者由高到低，再由低到高)。而矩形波的频谱中会出现零值，即它的幅频特性曲线 中有的频率点处的幅值为零。这样，动态误差频域修正函数就会出现无效值(这里有两种 情况，一是零比零，即分子和分母均为零；二是零值)。在要修正的频带范围内由于无效值 的存在使得动态误差频域修正函数有效修正带宽缩小为无效值对应的最小频率以内的范 围，所以，该动态误差频域修正函数无法对其它阶跃响应数据或实际应用中的动态响应进 行正确的动态误差修正。二、原本的阶跃激励信号在做基于FFT的频谱分析时，由于周期延 拓被视为矩形波信号，而响应输出信号的周期延拓又与矩形波激励的传感器实际响应输出 不符。所以，根据传感器阶跃响应实验数据直接求取动态误差频域修正函数会引入较大的 误差，无法用于传感器实际动态响应的误差修正。另外，在获得传感器动态误差频域修正函数之后，现有频域修正技术对传感器的 实际响应输出数据进行误差修正时，由于截取数据的窗函数泄漏效应导致每次修正后数据 段的两端的修正误差较大，从而造成对传感器动态响应进行连续的误差修正时误差较大。
技术实现思路
本专利技术要解决现有传感器动态误差频域修正技术无法直接应用于动态阶跃响应 实验数据的误差修正问题，提供一种有效的动态误差频域修正函数的求解方法以及对传感 器动态响应输出数据进行连续的动态误差频域修正方法。本专利技术所采用的技术方案是先对传感器进行动态阶跃响应实验，采集传感器的 激励(输入)数据和响应(输出)数据；再在所采集的输入数据和输出数据中分别截取待 研究的阶跃激励和阶跃响应过程的数据段，并保证一定的数据长度和阶跃高低占空比，为 消除频域修正函数求解结果中的无效值点提供条件；接着，对截取的阶跃响应数据段的前 端数据进行拼接处理，形成单周期矩形波激励信号对应的传感器响应信号(即输入信号为 一个单周期矩形波，输出信号为一个既有正阶跃响应又有负阶跃响应的信号)，以大幅度地 消除阶跃激励及其响应在加窗后进行频谱分析时由于周期延拓引起的估计误差；然后，分 别对截取的阶跃激励数据和拼接处理后的阶跃响应数据加特定的窗函数(矩形窗或海明 窗)，为消除频域修正函数求解结果中的无效值点提供条件；最后，对加特定窗后的阶跃激 励和阶跃响应数据，采用功率谱估计法求取频域修正函数，插补其要修正频带范围内的无 效值点，并将其要修正频带范围外的函数值置零，得到最终的动态误差频域修正函数。采用 连续、滑动的误差修正方式，即采用对修正结果的数据片段连续拼接的方式，对传感器实际 响应输出进行动态误差修正，以取得良好的修正效果。本专利技术的技术流程为动态阶跃响应实验1 —数据截取2 —数据拼接处理3 —信 号加窗4 —动态误差频域修正函数求解5 —传感器动态响应的误差修正6，如图1所示。所述图1中的动态阶跃响应实验1设备主要由阶跃激励源7、传感器8、数据采集 仪9、上位机10组成，如图3所示。阶跃激励源7产生阶跃激励信号x(t)，激励信号x(t) 和传感器8的响应信号y (t)由数据采集仪9以采样率fs同步采集，并传送给上位机10进 行存储。所述数据截取2即为采用时间长度为T(T = N/fs，N为截取的数据点数)的矩形 窗对传感器阶跃激励数据X(t)和响应数据y(t)从同一时刻开始进行同步截取，分别得到 数据h*yN。截取得到的数本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于阶跃响应的传感器动态误差频域修正技术，用于根据传感器动态阶跃响应实验数据求解传感器的动态误差频域修正函数，并将所求的频域修正函数用于传感器实际动态响应的动态误差修正，技术流程包括：动态阶跃响应实验、数据截取、数据拼接处理、信号加窗、动态误差频域修正函数求解、传感器动态响应的误差修正，其特征在于：由动态阶跃响应实验获取传感器阶跃激励和阶跃响应实验数据；然后，分别截取一段实验数据；对截取的阶跃响应数据进行拼接处理；再对截取的阶跃激励数据和拼接处理后的阶跃响应数据加上特定的窗函数；再根据加窗后的数据，求解有效修正频带宽、动态误差修正精度高的传感器动态误差频域修正函数；在实际测量中，据此频域修正函数对传感器实际动态响应进行连续、滑动的动态误差修正。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐科军，杨双龙，周全，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：34
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