基于貝葉斯數(shù)據(jù)融合的軌道車輛Pt100溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張邦成,步倩影,尹曉靜,李 淼,高 智,隋元昆

(1.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長春 130012;2.長春工業(yè)大學(xué)軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長春 130012)

基于貝葉斯數(shù)據(jù)融合的軌道車輛Pt100溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張邦成1*,步倩影1,尹曉靜1,李 淼1,高 智2,隋元昆1

(1.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長春 130012;2.長春工業(yè)大學(xué)軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長春 130012)

Pt100溫度傳感器是軌道車輛溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的常用傳感器,其性能的好壞影響著人們對軌道車輛運(yùn)行狀態(tài)的判斷。為了準(zhǔn)確判斷出存在故障的傳感器,檢測系統(tǒng)應(yīng)包含精準(zhǔn)的信號采集系統(tǒng)和有效的數(shù)據(jù)融合處理方法。首先對軌道車輛Pt100溫度傳感器信號采集系統(tǒng)的放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等進(jìn)行設(shè)計(jì),采集系統(tǒng)采用分段非線性多項(xiàng)式擬合算法,得到不同溫度區(qū)間上的標(biāo)度變換表達(dá)式;將一種基于貝葉斯估計(jì)算法的多傳感器測量數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)用于采集信號的處理,判斷軌道車輛Pt100溫度傳感器是否存在故障。研究結(jié)果表明,采用上述過程測量溫度精準(zhǔn),融合誤差小,能夠有效篩選出發(fā)生故障的傳感器。

Pt100溫度傳感器;信號采集;數(shù)據(jù)融合;貝葉斯估計(jì);放大電路

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展,軌道車輛運(yùn)行的安全可靠性受到人們越來越多的關(guān)注。Pt100溫度傳感器作為軌道車輛整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分,如何在眾多性能質(zhì)量參差不齊的Pt100溫度傳感器中選擇優(yōu)質(zhì)的傳感器,保證軌道車輛監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性一直是人們所關(guān)注的問題。對其輸出的信號進(jìn)行采集及分析來判斷Pt100溫度傳感是否存在故障是必不可少的[1]。

軌道車輛Pt100溫度傳感器檢測系統(tǒng)包括信號的采集和信號的處理兩個(gè)部分。其中,設(shè)計(jì)出精準(zhǔn)的信號采集電路是檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ),利用有效的數(shù)據(jù)處理方法是檢測系統(tǒng)的核心。國內(nèi)外學(xué)者在傳感器研究領(lǐng)域已進(jìn)行了深入的研究,文獻(xiàn)[2-3]對Pt100溫度采集系統(tǒng)信號調(diào)理電路及A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了高精度設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[4]采用關(guān)系矩陣與貝葉斯估計(jì)相結(jié)合的方法對多傳感器所測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,提高測量結(jié)果精度。

本文則是首先對采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并采用了基于貝葉斯估計(jì)算法的多傳感器測量數(shù)據(jù)融合方法,剔除誤差較大的傳感器。在檢測系統(tǒng)信號采集電路設(shè)計(jì)部分,由于電流經(jīng)過Pt100傳感器會產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致其測溫不準(zhǔn),一般恒流源電流應(yīng)小于mA級,為了得到精準(zhǔn)的信號,本文首先對信號采集系統(tǒng)的放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等進(jìn)行總體設(shè)計(jì);檢測系統(tǒng)信號處理部分,為了準(zhǔn)確的判斷出優(yōu)質(zhì)、故障傳感器,將基于貝葉斯估計(jì)算法的多傳感器測量數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)用于Pt100溫度傳感器數(shù)據(jù)處理中,通過置信距離測量方法將兩個(gè)概率分布曲線之間的置信距離作為衡量傳感器信息之間的偏差程度,并確定傳感器數(shù)據(jù)的正確性,初步排除由采集系統(tǒng)測量的支持度最低的傳感器數(shù)據(jù),即排查出存在故障的傳感器,再通過貝葉斯估計(jì)的融合計(jì)算方法對剩余傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而找出最優(yōu)質(zhì)的傳感器。

1 系統(tǒng)組成及測溫原理

溫度傳感器測溫系統(tǒng)主要由恒流源電路、Pt100溫度傳感器、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、主控芯片單片機(jī)、顯示模塊及恒壓源組成[5],系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。Pt100溫度傳感器電阻的阻值隨溫度變化而變化,利用這一特點(diǎn)將采集到的信號轉(zhuǎn)換成電壓信號;再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并由單片機(jī)系統(tǒng)讀取;單片機(jī)系統(tǒng)把讀取的數(shù)字信號進(jìn)行識別處理,換算成與溫度對應(yīng)的數(shù)字信號,最后再由液晶顯示器顯示輸出溫度值[6-7]。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

圖1中主控芯片主要選擇STC89C51型號單片機(jī),單片機(jī)的P0口接A/D轉(zhuǎn)換電路,P1口接顯示模塊,實(shí)時(shí)顯示測量得到的溫度值。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用ADC0809芯片即可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能,由于傳感器不同和外界干擾等原因,對信號的質(zhì)量有不同程度的影響,在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前必須對信號進(jìn)行濾波處理。

由于是精密的溫度測量,Pt100溫度傳感器輸出為很弱的電壓信號,一般為mV級,一般的數(shù)據(jù)采集不能夠直接進(jìn)行處理,必須經(jīng)過放大轉(zhuǎn)化成0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號,A/D轉(zhuǎn)換后才能夠被中央處理器接收,經(jīng)過反推計(jì)算得出溫度的變化范圍。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 放大電路設(shè)計(jì)

放大電路的設(shè)計(jì)是在滿足A/D轉(zhuǎn)換要求的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)放大倍數(shù)準(zhǔn)確、漂移小等特點(diǎn)。為了避免信號在放大過程中失真,采用兩級放大,第1級放大10倍,第2級放大200倍,選擇精密放大芯片即能實(shí)現(xiàn)其放大作用。

儀表精密芯片采用AD524、AD624放大器。AD524、AD624是一種低噪聲、高共模抑制比的單片式精密儀用放大器,具有優(yōu)良的性能指標(biāo),輸出、輸入失調(diào)電壓漂移分別低于20×10-3mV/℃和0.5×10-3mV/℃。當(dāng)放大倍數(shù)為固定增益時(shí),只需將對應(yīng)的引腳與RG2腳連接起來即可[8];對于1～1 000之間的其他增益,需外接電阻RG將RG1和RG2連接,增益G=40K/RG+1。系統(tǒng)測量溫度范圍為-40 ℃～150 ℃,放大輸出的電壓為OUT=G×[(IN+)-(IN-)],其中IN+為Pt100濾波后輸出的電壓,IN-為基準(zhǔn)電壓源輸出的電壓。

根據(jù)AD524、AD624的內(nèi)部連接圖及外部引腳圖設(shè)計(jì)兩級放大電路,由于外界原因或電源的影響,在電路設(shè)計(jì)中加入防浪涌電路,在輸出端串上自恢復(fù)保險(xiǎn)絲對輸出端進(jìn)行保護(hù),防止電流回流等原因造成芯片的破壞,設(shè)計(jì)的兩級放大電路如圖2所示。

圖2中,沒有設(shè)置兩個(gè)芯片的具體放大倍數(shù),可根據(jù)需要組合成相應(yīng)的放大倍數(shù)。在圖中含有3個(gè)瞬態(tài)抑制二極管,當(dāng)電路中產(chǎn)生瞬間高電壓時(shí),瞬態(tài)抑制二極管迅速導(dǎo)通接地,起到保護(hù)AD524、AD624的作用。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

由于ADC0809芯片的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路,必須應(yīng)用51單片機(jī)的定時(shí)器來產(chǎn)生時(shí)鐘信號,其和單片機(jī)相連的電路圖如圖3所示。CLK:時(shí)鐘脈沖信號輸入,此引腳要求時(shí)鐘頻率不得高于640 kHz。REF(+)、REF(-)為基準(zhǔn)電壓;Vcc為電源;GND為地[9]。其中由于proteus電路仿真軟件中沒有轉(zhuǎn)換芯片ADC0809,故采用簡化的ADC0808代替。

圖2 兩級放大電路圖

圖3 A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Pt100溫度傳感器工作溫度在-40 ℃～150 ℃范圍內(nèi),為提高測量精度,應(yīng)進(jìn)行分段線性化處理,再用MATLAB進(jìn)行線性擬合[1]。

3.1 標(biāo)度轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量AD碼與輸入電壓Uad的關(guān)系如式(1),其中電壓的單位為mV。

(1)

放大電路的輸入電壓U:

U=(Uad/G)+U0

(2)

式中:G為放大倍數(shù),U0為-40 ℃時(shí)放大電路輸入電壓。

3.2 溫度與電壓關(guān)系式的擬合

Pt100傳感器溫度T與放大電路輸入電壓U采用MATLAB多項(xiàng)式擬合函數(shù)polyfit進(jìn)行分段擬合,構(gòu)成-40 ℃至150 ℃范圍內(nèi)的溫度電壓關(guān)系模型:

T=1.069U2+67.19U-246.8(-40 ℃～0 ℃)

(3)

T=1.108U2+66.85U-246.1(0 ℃～150 ℃)

(4)

將式(1)、式(2)代入溫度電壓關(guān)系模型中,即可顯示溫度,擬合后最大理論誤差小于0.05 ℃。

單片機(jī)獲取AD碼進(jìn)行運(yùn)算,由液晶顯示屏顯示溫度值,Pt100溫度傳感器測量仿真顯示圖如圖4所示,其中由于proteus電路仿真軟件中沒有主控芯片STC89C51,故采用功能相似的AT89C51代替。

圖4 Pt100溫度傳感器測量仿真顯示圖

4 多傳感器數(shù)據(jù)融合方法研究

軌道車輛Pt100溫度傳感器信號分析方法利用貝葉斯估計(jì)算法對采集到的溫度信號進(jìn)行處理,并初步判斷溫度傳感器的好壞。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合步驟分別為:建立置信距離矩陣、建立關(guān)系矩陣、基于貝葉斯估計(jì)融合計(jì)算。

4.1 建立置信距離矩陣

由于每個(gè)傳感器輸出數(shù)據(jù)的有效性不能確定,在融合計(jì)算之前必須對輸出的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。依據(jù)每個(gè)傳感器測量數(shù)據(jù)的關(guān)系和充分利用先驗(yàn)知識,判斷其真實(shí)性,采用文獻(xiàn)[10]提出的利用統(tǒng)計(jì)規(guī)律建立置信矩陣的方法。

采用N個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度測量,X1,X2…XN分別表示N個(gè)溫度傳感器輸出的溫度值,p(x1),p(x2)…p(xN)分別表示X1,X2…XN的概率密度函數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律易知X1,X2…XN均服從正態(tài)分布。x1,x2…xN分別為X1,X2…XN的樣本。則置信距離為[11]:

(5)

(6)

式(5)表示對的置信距離,同理式(6)表示對的置信距離。其中

(7)

(8)

根據(jù)上式可知,dij反應(yīng)了傳感器i輸出的數(shù)據(jù)對傳感器j輸出的數(shù)據(jù)支持程度。同理,由此方法計(jì)算可得出置信距離矩陣為:

(9)

特殊情況下,當(dāng)xi=xj時(shí),dij=0,當(dāng)xi?xj或xi?xj時(shí),dij=dji=1。

4.2 建立關(guān)系矩陣

得到置信距離矩陣后,需要建立關(guān)系矩陣,用以判斷傳感器輸出數(shù)據(jù)的支持程度和有效性。結(jié)合模糊數(shù)學(xué)中隸屬度的概念,引入閥值δ1和δ2。當(dāng)置信距離時(shí),說明溫度傳感器i輸出的數(shù)值支持溫度傳感器j輸出的數(shù)值。當(dāng)時(shí),說明溫度傳感器i輸出數(shù)值不支持溫度傳感器j輸出數(shù)值,如式(10)所示[12]:

(10)

因?yàn)镹個(gè)傳感器測量的都是同一溫度,理論上值都是一樣的,但是由于傳感器精度和誤差等原因,測量得到的數(shù)值有一定的差異性,在N個(gè)傳感器中被支持的程度越高則說明這個(gè)傳感器越接近真實(shí)值。故選擇支持程度高的數(shù)值進(jìn)行融合計(jì)算,進(jìn)一步提高精確度。

經(jīng)計(jì)算得到關(guān)系矩陣Ψ,

(11)

4.3 基于貝葉斯估計(jì)融合計(jì)算

貝葉斯統(tǒng)計(jì)理論相對于其他估計(jì)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是對先驗(yàn)知識進(jìn)行了充實(shí)的利用。如在測量軸承溫度時(shí),由于運(yùn)行狀況的不斷變化和傳感器自身內(nèi)部各個(gè)參數(shù)的變化,使得測得的溫度值不確定性隨時(shí)間不斷增大,所以貝葉斯估計(jì)融合必須描述不確定動(dòng)態(tài)的變化[13]。

將由關(guān)系矩陣選擇得到的m個(gè)有效的數(shù)據(jù)表示為(x1,x2,x3…xm),其被測參數(shù)的條件概率密度函數(shù)可由下式得出:

(12)

式中:μ為被測參數(shù),且服從正態(tài)分布N(μ0,σ0),Xi同樣服從正態(tài)分布N(μ,σk),由此可得

(13)

式中:

(14)

(15)

將式(14)、式(15)代入式(13)中,容易得出p(μ|x1,x2,x3…xm)同樣服從正態(tài)分布[14],假設(shè)服從N(μN(yùn),σN),即:

(16)

綜合式(13)、式(16)可得結(jié)果:

(17)

通過上述的分析與理論研究,可以應(yīng)用貝葉斯估計(jì)算法對被測溫度傳感器進(jìn)行故障判斷。具體步驟可以總結(jié)如下:

首先,獲取各個(gè)溫度傳感器的數(shù)值;第二,對各個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯估計(jì)的數(shù)據(jù)融合;第三,設(shè)置被測傳感器與融合結(jié)果的差值;第四,被測溫度傳感器和融合后的結(jié)果做差值計(jì)算,超出差值則認(rèn)為故障;依據(jù)以上步驟,便可對被測溫度傳感器進(jìn)行故障判斷。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 測試圖

將圖2應(yīng)用Altium Designer設(shè)計(jì)出pcb板,進(jìn)行焊接,得出放大電路電路板。

圖5 放大電路電路板測試圖

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出放大電路試驗(yàn)圖如圖5所示。從圖5可以看出,右側(cè)輸入信號是微弱電壓正弦信號,單位是mV,經(jīng)過制作的放大電路板,接入示波器中觀察左側(cè)放大后的信號,為放大2 000倍后的正弦信號,由于現(xiàn)場環(huán)境電磁干擾、電源紋波比較大等原因,導(dǎo)致輸出波形紋波較大,但是在合理的范圍之內(nèi)。

連接測試圖如圖6所示。

圖6 連接測試圖

5.2 貝葉斯估計(jì)算法實(shí)測數(shù)據(jù)分析實(shí)例

應(yīng)用4個(gè)Pt100溫度傳感器對四組外界溫度進(jìn)行測量,得出4個(gè)溫度傳感器的均值數(shù)據(jù)為27.300 ℃、27.475 ℃、27.100 ℃、28.050 ℃,其先驗(yàn)分布服從N(26.975,0.323)對4個(gè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯數(shù)據(jù)融合,首先計(jì)算置信距離矩陣。

得出置信距離矩陣后,確定參數(shù)δ1和δ2,根據(jù)測溫精度要求,δ1=0.50,δ2=0.70,將置信距離矩陣代入式(6)中得到關(guān)系矩陣:

由關(guān)系矩陣易得出,數(shù)據(jù)4被其他傳感器支持的程度較低,淘汰這個(gè)傳感器測得的數(shù)據(jù)。選用其他3個(gè)傳感器進(jìn)行融合,代入式(13)中,得出融合結(jié)果:

從融合結(jié)果可以明顯得出,第3個(gè)傳感器所測溫度27.100 ℃與融合結(jié)果27.162 ℃的差值最小,可以判定第3個(gè)傳感器最好,第1、第2傳感器可能存在微小故障。

6 結(jié)論

本檢測系統(tǒng)由Pt100溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和信號的處理兩部分組成。首先對軌道車輛Pt100溫度傳感器信號采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),為提高采集系統(tǒng)測量精度,在A/D轉(zhuǎn)換之前對信號進(jìn)行濾波處理,防止外界信號干擾;并采用兩級放大電路,避免了信號在放大過程中失真,有效減小了電流,防止Pt100升溫引起測溫不準(zhǔn);運(yùn)用多項(xiàng)式擬合函數(shù)polyfit對溫度電壓關(guān)系模型進(jìn)行分段擬合,減小擬合誤差。將基于貝葉斯估計(jì)算法的多傳感器測量數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)用到Pt100溫度傳感器數(shù)據(jù)處理中,對測量的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,有效剔除誤差較大的傳感器,算法簡單實(shí)用。研究結(jié)果表明,溫度采集系統(tǒng)測量溫度精準(zhǔn),貝葉斯估計(jì)算法融合誤差小,能夠有效篩選出發(fā)生故障的傳感器。

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張邦成(1972-),男,博士生導(dǎo)師,主研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與故障診斷,zhangbangcheng@ccut.edu.cn。

Design of Pt100 Temperature Measurement System for Rail VehiclesBased on Bayesian Data Fusion*

ZHANGBangcheng1*,BUQianying1,YINXiaojing1,LIMiao1,GAOZhi2SUIYunkun1

(1.School of Mechatronic Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012 China;2.School of Soft Technology,Institute of Automation,Changchun University of Technology,Changchun 130012 China)

Pt100 temperature sensor as a common type of sensors of the whole monitoring system in railway vehicles,the performance of Pt100 temperature sensor will affect people’s judgment about the running state of railway vehicles. In order to accurately judge the faulty sensor,the detection system should include the accurate signal acquisition system and the effective data fusion processing method. Firstly,the signal acquisition system of the Pt100 temperature sensor is designed,including the amplifier circuit,A/D conversion circuit and so on. Piecewise nonlinear polynomial fitting algorithm is used in the acquisition system,and the scaling transformation expressions on different temperature ranges are obtained. Then Bayesian estimation algorithm is used for data fusion of the measured signal,to judge whether there is a fault in the Pt100 temperature sensor. The results show that the process of measuring temperature is accurate,the fusion error is small,and faulty sensors are effectively screened out.

Pt100 temperature sensor;signal gathering;data fusion;Bayes estimation;amplifier circuit

項(xiàng)目來源:吉林省科技廳攻關(guān)項(xiàng)目(20150204073GX);長春市科技計(jì)劃項(xiàng)目(14KG030)

2016-12-12 修改日期:2017-03-27

TP273;TP274

A

1004-1699(2017)08-1287-06

C:7230;7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.08.026