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压力传感器动态特性参数不确定度评定

姚贞建 王中宇 王辰辰 左思然

姚贞建, 王中宇, 王辰辰, 等 . 压力传感器动态特性参数不确定度评定[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(8): 1672-1681. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0636
引用本文: 姚贞建, 王中宇, 王辰辰, 等 . 压力传感器动态特性参数不确定度评定[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(8): 1672-1681. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0636
YAO Zhenjian, WANG Zhongyu, WANG Chenchen, et al. Uncertainty evaluation for dynamic characteristic parameters of pressure sensors[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(8): 1672-1681. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0636(in Chinese)
Citation: YAO Zhenjian, WANG Zhongyu, WANG Chenchen, et al. Uncertainty evaluation for dynamic characteristic parameters of pressure sensors[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(8): 1672-1681. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0636(in Chinese)

压力传感器动态特性参数不确定度评定

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0636
基金项目: 

国家自然科学基金 51575032

详细信息
    作者简介:

    姚贞建  男, 博士研究生。主要研究方向:压力传感器动态校准技术、信号处理

    王中宇  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:光电技术及其应用、动态测量基础理论与技术

    王辰辰  男, 硕士。主要研究方向:压力传感器动态校准技术

    左思然  女, 硕士研究生。主要研究方向:动态测量技术及其应用

    通讯作者:

    王中宇, E-mail: mewan@126.com

  • 中图分类号: V241;TH823

Uncertainty evaluation for dynamic characteristic parameters of pressure sensors

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51575032

More Information
  • 摘要:

    压力传感器动态特性参数的不确定度是表征其动态测量性能的重要指标。提出了一种压力传感器动态特性参数的不确定度评定方法。首先,使用激波管动态校准系统产生阶跃压力信号激励压力传感器,得到传感器的输出信号;其次,采用基于经验模态分解(EMD)的传感器输出信号预处理方法,减小动态校准过程中噪声的影响;然后,根据传感器的输入输出信号,采用自适应最小二乘法建立压力传感器的数学模型,进而得到其时频域动态特性参数;最后,针对重复校准实验得到的动态特性参数序列的小样本特点,采用自助法计算参数的扩展不确定度和相对不确定度。采用激波管系统对压力传感器进行多次重复动态校准实验,计算时频域动态特性参数的不确定度,并与现有方法进行对比。实验结果表明:本文方法可以弥补贝塞尔法在处理小样本量数据中的不足,且与蒙特卡罗法的不确定度评定结果相对误差小于10%,说明本文方法可以有效地评定压力传感器动态特性参数的不确定度。分析时频域动态特性参数的相对不确定度得到传感器的工作频带和超调量受噪声的影响较大,为动态校准实验条件的改善提供了重要依据。

     

  • 图 1  压力传感器动态特性参数不确定度评定原理

    Figure 1.  Uncertainty evaluation principle for dynamic characteristic parameters of pressure sensors

    图 2  压力传感器时频域动态特性参数的定义

    Figure 2.  Definition of dynamic characteristic parameters of pressure sensor in both time and frequency domains

    图 3  实验激波管示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of experimental shock tube

    图 4  压力传感器输出信号

    Figure 4.  Output signal of pressure sensor

    图 5  经验模态分解结果

    Figure 5.  Decomposed results with EMD

    图 6  重构信号

    Figure 6.  Reconstructed signal

    图 7  残余方差和运行时间随模型阶数的变化

    Figure 7.  Variation of residual variance and operation time with model order

    图 8  模型归一化时域输出及幅频特性曲线

    Figure 8.  Time domain output of model and normalized amplitude-frequency characteristic curve

    图 9  工作频带的自助概率直方图

    Figure 9.  Bootstrap probability histogram of working frequency band

    图 10  自助累加概率和各组工作频带均值

    Figure 10.  Bootstrap cumulative probability and mean of working frequency bands

    图 11  动态特性参数的相对不确定度

    Figure 11.  Relative uncertainty of dynamic characteristic parameters

    表  1  有用IMF分量的选择

    Table  1.   Selection of useful IMF components

    信号 相关系数 幅值比/% 是否选择
    原始输出 1 100
    IMF1 0.942 80.316 Y
    IMF2 0.181 17.089 Y
    IMF3 0.116 2.248 Y
    IMF4 0.131 0.148 N
    IMF5 0.106 0.059 N
    IMF6 0.127 0.018 N
    IMF7 0.092 0.009 N
    IMF8 0.038 0.005 N
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    表  2  6次重复动态校准实验的动态特性参数

    Table  2.   Dynamic characteristic parameters in six repeated calibration experiments

    实验次数 tr/μs ts/μs σ/% ωr/kHz ω/kHz
    1 0.80 360.58 79.61 264.82 34.79
    2 0.81 365.21 76.58 263.95 32.58
    3 0.80 362.48 78.92 264.87 36.14
    4 0.79 357.49 81.25 265.21 34.05
    5 0.81 363.72 77.84 264.18 33.47
    6 0.80 360.90 79.28 263.46 36.57
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    表  3  动态特性参数真值估计结果

    Table  3.   True value evaluation results of dynamic characteristic parameters

    动态特性参数 贝塞尔法 蒙特卡罗法 本文方法
    tr/μs 0.802 0.802 0.802
    ts/μs 361.72 361.90 361.83
    σ/% 78.91 78.92 78.96
    ωr/kHz 264.42 264.44 264.44
    ω/kHz 34.60 34.55 34.53
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    表  4  动态特性参数不确定度评定结果对比

    Table  4.   Comparison of uncertainty evaluation results for dynamic characteristic parameters

    动态特性参数 贝塞尔法 蒙特卡罗法 本文方法
    P=100% P=98% P=95% P=90% P=100% P=98% P=95% P=90%
    tr/μs 0.014 0.013 0.005 0.003 0.002 0.012 0.005 0.003 0.002
    ts/μs 5.42 4.36 2.78 2.15 1.69 4.25 2.72 2.05 1.54
    σ/% 3.18 2.57 1.29 1.11 0.79 2.48 1.24 1.07 0.86
    ωr/kHz 1.32 1.14 0.72 0.43 0.37 1.05 0.68 0.47 0.34
    ω/kHz 3.08 2.51 1.54 1.16 0.89 2.46 1.49 1.13 0.88
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-17
  • 录用日期:  2017-11-17
  • 刊出日期:  2018-08-20

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