技术领域
[0001] 本发明属于传感器原位校准及温度补偿技术领域，具体涉及一种基于柔性温度传感器的动力系统温度原位校准装置及方法。
相关背景技术
[0002] 装备动力系统对各种工作条件(如柴油机滑油温度、冷却水温度等)具有一定要求，同时为了保障安全运行和正常工作，需要对其工作状态(如柴油机滑油温度、缸内爆炸压力等)进行监控，为此安装了数量众多的传感器。这些传感器是否正常工作，直接影响动力系统乃至整个武器装备的安全。
[0003] 柔性温度传感器具有热动态响应时间短、测温位置准确、易于集成、安装空间要求小、附着性强等优势，可直接将薄膜材料布置在热端部件表面进行实时温度测量等诸多优点，在装备动力系统的温度检测中有很好的应用前景。
[0004] 温度量值的准确性则是动力系统状态精准监测和控制的前提，柔性温度传感器在动力系统中处于高温、高噪音、高振动、等强干扰条件下，容易损坏老化，导致温度测量的不准确。因此，有必要对装备动力系统中柔性温度传感器进行周期性校准，确保温度量值的准确性。
[0005] 传统的离线检测方法，即将被测传感器从仪器上拆卸下来，送往实验室或检定机构使用专门的仪器设备进行离线检测，以判断其功能是否正常，参数是否正确。然而在实验室标准环境条件中检定合格的被检仪表，带到实际使用现场后可能会出现指示数据出现偏离的情况。
具体实施方式
[0030] 如图1所示，是本申请实施例的原位校准装置的外观示意图，将整套原位校准装置集成为一个拉杆箱，并在拉杆箱底部装有两个万向轮，方便工作人员携带。
[0031] 如图2所示，是上述实施例原位校准装置打开后的整体结构示意图，所述原位校准装置，包括箱体101、工业控制计算机102、电源接口103、UART接口104、One‑Wire接口105、RS232接口106、RS485接口107、3组USB接口108、数据采集器109、散热盖板110、电源开关111、启停按钮112、振动传感器113和标准温度传感器114。
[0032] 本申请中的原位校准装置设计集成化、小型化，所述设计集成化、小型化是指将工业控制计算机102、标准温度传感器114、数据采集器109等集成在箱体101中，便于校准工作人员进行现场校准工作时，无需将拆卸下来的柔性温度传感器送至实验室进行校准，而在现场通过所携带的原位校准装置即可开展校准工作。
[0033] 本申请中的原位校准装置多接口化、多功能化，所述多接口化是指该原位校准装置配置有多种不同的待校柔性温度传感器接口，包括UART接口104、One‑Wire接口105、RS‑232接口106、RS‑485接口107、USB接口108，扩展了本装置的应用范围。其中UART接口、RS485接口、RS232接口、One‑Wire接口各一组，USB接口为三组。可以适配多种不同类型的温度传感器，提高了校准效率和灵活性；所述多功能化是指该原位校准装置除了校准柔性温度传感器以外，还可以通过内部的温度动态预测模型对现场的装备动力系统发动机内部温度进行预测。所述温度动态预测模型，即在本申请中，将待校柔性温度传感器的温度修正值输入至温度动态预测拟合公式中，来输出当前时刻装备动力系统发动机的内部温度数据。所述温度动态拟合公式可以通过装备动力系统发动机表面至少2个温度采样点的温度数据作为输入，结合温度动态预测拟合参数，准确地输出装备动力系统发动机的内部温度。
[0034] 如图3所示，是图2所示原位校准装置的俯视图，所述原位校准装置通过电源接口103为整套装置充电；校准工作人员通过旋转电源开关111开启原位校准装置，此时装置预开启完毕；然后按下工业控制计算机102的启动开关112，再按一下为关闭工业控制计算机
102。工作人员在现场进行校准工作时，取出原位校准装置中的振动传感器113，将其贴于装备动力系统发动机表面，另一端接入该装置的USB接口108中；取出原位校准装置中的标准温度传感器114（即第一标准温度传感器），将其贴于装备动力系统发动机表面，另一端也接入该装置的另一个USB接口108中。将安装在装备动力系统发动机表面的待校柔性温度传感器（即第一待校柔性温度传感器）也接入一个USB接口108中，通过数据采集器109，获得温度数值和振动参数；若现场的柔性温度传感器的电气接口不为USB接口，可将其接入工业控制计算机102旁边的多组不同电气接口。在获得温度数值和振动参数之后，即可根据下文所述的温度补偿公式，来获得待校柔性温度传感器的示值误差，然后对其进行温度校准。
[0035] 本申请中的原位校准方法简易化，比起传统繁琐的温度校准方法，本申请所采用的温度校准方法，无需拆卸装备动力系统表面所安装的柔性温度传感器，只需将待校柔性温度传感器接入原位校准装置，将标准温度传感器也接入原位校准装置中。装置内部的数据采集器会采集振动参数（振频T和振幅A）、标准温度传感器的温度值和待校柔性温度传感器的温度值。由于振动会引起柔性温度传感器阻值的改变，根据振动参数，本申请装置通过内部的温度补偿拟合算法，拟合出一个因振动而导致的温度偏差值。将待校温度传感器的温度值和温度偏差值两者相结合，获得待校柔性温度传感器的温度修正值。再将待校柔性温度传感器的温度修正值和标准温度传感器的温度值进行比较，获得最终的示值误差，完成校准。
[0036] 如图4所示，是本申请针对柔性温度传感器的温度补偿所搭建的实验平台，实验中使用的温度补偿模型为三角函数最小二乘法拟合模型，将补偿后的待校柔性温度传感器温度修正值和标准温度传感器的温度值进行比较，计算结果得到示值误差。用于解决装备动力系统发动机由于工作时产生地振动而造成的温度校准精度低的技术问题。
[0037] 所述柔性温度传感器温度补偿装置，包括小型激振器401、金属导热片402、振动传感器403、待校柔性温度传感器404（即第二待校柔性温度传感器）、均温块405、干体炉406、标准温度传感器407（即第二标准温度传感器）和悬臂梁408。
[0038] 所述小型激振器401水平固定在悬臂梁408的自由端；所述小型激振器401和金属导热片402上端的一侧贴合并固定连接，小型激振器401运作时给金属导热片402提供一个稳定的振频和振幅；所述振动传感器403单面贴于金属导热片402下端的一侧；所述待校柔性温度传感器404单面贴于金属导热片402下端的另一侧；所述均温块405放置在干体炉406内；所述金属导热片402下端与均温块405连接；所述干体炉406为整套装置提供一个稳定的温度源；所述悬臂梁408水平放置于干体炉406的一侧，作为小型激振器401的固定支撑底座。
[0039] 本申请实施例还提供了实验室中柔性温度传感器的原位校准温度补偿方法，包括：
[0040] 对小型激振器401的参数进行设置，小型激振器的参数设置为振频T和振幅A。对干体炉406温度设置为t0，并可以得到此刻标准温度传感器的温度值t1。启动小型激振器401，振动传感器403测得当前时刻的振频与振幅。在小型激振器401的作用下，得到待校柔性温度传感器的温度值t2。
[0041] 当小型激振器401开始运作，在稳定的振频T和振幅A下，引起的振动量为：
[0042]
[0043] 由于振动引起的温度值的改变是非线性变化，因此在本例中不考虑采用线性最小二乘法来对数据进行拟合，本例采用三角函数法来拟合数据，用三角函数法对N组数据进行拟合，得到三角函数表达式：
[0044]
[0045] 温度补偿算法采用三角函数最小二乘法，首先获取N组数据（Δf，Δti）(i=1,2,3……N) ；其次确定拟合函数表达式；最后根据获得的表达式计算出经过温度补偿后的输出值；其中N为大于等于2的正整数，Δf为当前时刻的振动参数，ΔR为获得的电阻偏差值，a0、a1、a2为拟合系数。
[0046] 电阻偏差值通过与温度值的函数对应式，即可得到对应的温度偏差值：
[0047]
[0048] 经过修正后的待校柔性温度传感器的温度值为：
[0049]
[0050] 最终实验室中得出得柔性温度传感器的示值误差为：
[0051]
[0052] 如图5所示，是本申请在进行现场原位校准时，振动传感器和温度传感器的安装示意图。如左图所示，隔热罩502固定于装备动力系统发动机501的表面，振动传感器503固定于隔热罩502内部。所述隔热罩502由绝热、刚性材料制成，绝热材料可以有效地隔绝发动机散发的热量对振动传感器产生影响；刚性材料可以对发动机振动的传递保持良好的效果。如右图所示，温度传感器504固定于装备动力系统501的表面，隔热罩505固定于温度传感器
504的表面并包裹住温度传感器的其余五个面。隔热罩505由绝热材料制成，保证了柔性温度传感器504单面受温的效果。
[0053] 待振动传感器和标准温度传感器安装完毕后，将其接入本申请的原位校准装置中，通过数据采集器109获得待校柔性温度传感器的温度值t测、标准温度传感器的温度值t标和振动参数（振频T和振幅A）。根据在实验室中所获得的补偿算法，可得现场柔性温度传感器的温度修正值为：
[0054]
[0055] 计算后得到现场的示值误差为：
[0056]
[0057] 本申请还另提供了一种装备动力系统发动机内部温度预测的方法。所述温度预测’方法可以根据原位校准装置所采集得到的柔性温度传感器的温度修正值t测，根据温度动态预测模型来对装备动力系统发动机内部温度进行预测，作为此装置的拓展功能。
[0058] 所述温度预测的步骤为：
[0059] 采集装备动力系统发动机表面多点处的待校柔性温度传感器的温度修正值；
[0060] 根据所采集的温度数据，建立发动机内部温度动态预测模型；
[0061] 将装备动力系统发动机采集的温度数据输入温度动态预测模型，预测发动机的内部温度。
[0062] 在本申请中，可以通过装备动力系统发动机表面的待校柔性温度传感器的温度修正值，输入至温度动态预测模型中，进而能够通过温度动态预测模型来输出当前时刻装备动力系统发动机的内部温度数据。可以通过装备动力系统发动机表面至少2个温度采样点的温度数据作为输入，通过温度动态预测模型，准确地输出装备动力系统发动机的内部温度。
[0063] 根据物理关系，分析装备动力系统发动机内部温度数据的影响因素，根据待校柔性温度传感器的温度修正值和装备动力系统发动机内部温度的对应关系建立模型公式。
[0064] 模型公式可以如下所示：
[0065]
[0066] 其中，Si为装备动力系统发动机当前时刻内部温度，Ai为待校柔性温度传感器在装备动力系统发动机不同点处的温度修正值，a为模型公式的拟合系数。
[0067] 如图6所示，是本申请的流程图，包括以下步骤：
[0068] 步骤1）在实验室中，完成对装备动力系统发动机校准的模拟，根据对不同振动状态的模拟，得到合适的温度补偿算法，以提高柔性温度传感器校准精度。
[0069] 步骤2）校准工作人员将原位校准装置带至现场进行校准。取出装置内的标准温度传感器114和振动传感器113，将其如图5所示安装在装备动力系统发动机上，打开原位校准装置箱盖，旋转电源旋钮111，并按下启停开关112，将上述传感器接入原位校准装置的USB接口108中。触摸工业控制计算机102，选择校准方案，点击校准方案后，等待校准结果。
[0070] 步骤3）按照上述步骤完成工作且确认无误后，系统在多个温度校准点采集温度测量值并计算示值误差，将整个温度变化过程以图表的形式展示。
[0071] 待校柔性温度传感器示值误差为：
[0072]
[0073] 步骤4）校准完成后，再次按下启停开关112关闭系统，旋转电源旋钮111，取下振动传感器113和标准温度传感器114，并将其放回装置内，关闭箱盖，校准完成。
[0074] 本申请实施例还提供了一种基于柔性温度传感器的动力系统温度原位校准系统，包括：
[0075] 数据采集单元，用于采集振动参数、第一标准温度传感器的温度值和第一待校柔性温度传感器的温度值；
[0076] 温度偏差值获取单元，用于根据振动参数和温度补偿拟合算法，获取因振动而导致的温度偏差值；
[0077] 温度修正值获取单元，用于将第一待校温度传感器的温度值和温度偏差值相结合，获得第一待校柔性温度传感器的温度修正值；
[0078] 结果输出单元，用于将第一待校柔性温度传感器的温度修正值和第一标准温度传感器的温度值进行比较，获得最终的示值误差，完成校准。
[0079] 本申请实施例另提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述指令时实现所述的动力系统温度原位校准方法。
[0080] 本申请实施例又提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被执行时实现所述的动力系统温度原位校准方法。
[0081] 本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
