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基于改进AdaBoost算法的可调谐F-P滤波器温漂补偿方法

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光学学报 2023年第3期43卷 40-48页

作者：盛文娟赖振谱杨宁 Peng Gangding 上海电力大学自动化工程学院上海200090 新南威尔士大学电子信息工程学院澳大利亚悉尼2052

针对光纤法布里珀罗可调谐滤波器(FFPTF)在环境温度变化时输出波长持续漂移,引起光纤布拉格光栅(FBG)解调不稳定的现象,提出一种基于改进AdaBoost算法的温度稳定FBG解调方法。采用AdaBoost集成学习构建可调谐滤波器的温漂模型,在迭代过... 详细信息

针对光纤法布里珀罗可调谐滤波器(FFPTF)在环境温度变化时输出波长持续漂移,引起光纤布拉格光栅(FBG)解调不稳定的现象,提出一种基于改进AdaBoost算法的温度稳定FBG解调方法。采用AdaBoost集成学习构建可调谐滤波器的温漂模型,在迭代过程中提出基于误差率差值的弱学习器权重更新方法,以增强弱学习器权重与其预测误差之间的关联,提高多个弱学习器的集成效率。实验结果表明,传统AdaBoost补偿后可调谐滤波器在温度变化环境中的最大波长漂移为14.03 pm,而基于权重更新的AdaBoost算法补偿后最大波长漂移为4.75 pm。相比传统的基于标准具和气室的温漂补偿方法,所提补偿方法不需要添加额外元件,补偿精度高。

关键词：光纤光学光纤光栅解调法布里珀罗滤波器温漂补偿 AdaBoost 权重更新

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考虑时间权重的可调谐滤波器温漂补偿方法

光学学报 2023年第21期43卷 25-32页

作者：盛文娟钟处宁彭刚定上海电力大学自动化工程学院上海200090 新南威尔士大学电气工程与电信学院澳大利亚新南威尔士州悉尼2052

首先,充分考虑温漂序列数据前后之间的强相关性,在对光纤法布里-珀罗可调滤波器(FFP-TF)的温漂进行建模的过程中引入时间权重的概念,为每个样本赋予不同的时间属性。然后,采用支持向量机(SVM)作为弱学习器对温漂样本进行建模,使用AdaBo... 详细信息

首先,充分考虑温漂序列数据前后之间的强相关性,在对光纤法布里-珀罗可调滤波器(FFP-TF)的温漂进行建模的过程中引入时间权重的概念,为每个样本赋予不同的时间属性。然后,采用支持向量机(SVM)作为弱学习器对温漂样本进行建模,使用AdaBoost框架对多个SVM模型进行集成学习。在集成预测过程中,不仅每个模型的预测性能会影响样本的权重分配,而且样本的时间属性也会影响样本权重的更新。实验结果表明:在2℃的窄范围缓慢变温环境中,传统AdaBoost-SVM算法的最大温漂补偿误差为10.83 pm,而基于时间权重的AdaBoost-SVM的最大温漂补偿误差降低到7.04 pm;在15℃的温度范围下,传统AdaBoost-SVM算法的最大误差达到11.57 pm,基于时间权重的AdaBoost-SVM的最大误差仅为4.05 pm。与传统硬件方法相比,所提出的方法不需要额外硬件,为可调谐滤波器的温漂补偿提供了一种新的思路。

关键词：光栅光纤布拉格光栅法布里-珀罗滤波器温漂补偿时间加权集成学习

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适用于霍尔电流传感器的温漂补偿电路设计

电子测量与仪器学报 2023年第9期37卷 8-15页

作者：王兰雨陈红梅张昊哲合肥工业大学微电子设计研究所合肥230601

霍尔电流传感器中存在的温漂会影响传感器的精度,特别是在极端高温和低温下影响更加明显,这限制了霍尔传感器应用的场合。针对该问题本文设计实现了一种适用于霍尔电流传感器的宽温度范围温漂补偿电路。温漂补偿电路通过将增益补偿与带... 详细信息

霍尔电流传感器中存在的温漂会影响传感器的精度,特别是在极端高温和低温下影响更加明显,这限制了霍尔传感器应用的场合。针对该问题本文设计实现了一种适用于霍尔电流传感器的宽温度范围温漂补偿电路。温漂补偿电路通过将增益补偿与带隙补偿相结合,在霍尔电压放大电路中采用与霍尔元件形状材料均一致的负载电阻,补偿了霍尔元件的温漂误差;同时利用带隙基准电路产生的高低温补偿电流实现对放大器电路的尾电流的温度补偿,使得霍尔电流传感器可以在更宽的温度范围内保持灵敏度稳定。采用GF0.18μm BiCMOS工艺制程,仿真验证表明,在5 V电源电压下,电路在-40℃~140℃的宽温度范围内,灵敏度温漂误差小于0.3%,温漂系数达到35 ppm/℃。相较于其他温度补偿设计,该设计实现了对霍尔传感器高阶温度误差的补偿,使得霍尔传感器具有更宽的工作温度范围以及更小的温漂误差,且不需要额外的数字处理电路,具有较高的工程应用价值。

关键词：霍尔电流传感器温漂补偿增益补偿带隙补偿

基于极值搜索算法的超声电机温漂补偿方法研究

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基于极值搜索算法的超声电机温漂补偿方法研究

作者：李科哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着压电驱动技术日益成熟,由于超声电机具有重量小、响应速度快、结构紧凑、抗电磁干扰能力强等优点而被广泛地应用到精密运动控制以及航空航天等领域。但是由于超声电机存在温漂特性,持续长时间地运行会使机体温度升高,温升会改变压... 详细信息

随着压电驱动技术日益成熟,由于超声电机具有重量小、响应速度快、结构紧凑、抗电磁干扰能力强等优点而被广泛地应用到精密运动控制以及航空航天等领域。但是由于超声电机存在温漂特性,持续长时间地运行会使机体温度升高,温升会改变压电陶瓷的性质,使其最优频率工作点发生漂移,最终会导致超声电机运行速度不稳定以及驱动效率的降低。针对上述情况,本文旨在补偿超声电机的温漂特性,稳定超声电机的输出性能。因此本文提出了一种基于电流极小值的频率跟踪方法,最后设计出一个能够实现补偿温漂的闭环控制系统。主要研究工作如下:本文首先引入定子机电耦合模型,通过对模态质量、模态刚度和模态力的分析,得到定子的振动方程以及稳态时定子振幅与驱动电压幅值之间的关系,从理论证实超声电机定子振幅由驱动电压和频率等来决定;在引入压电陶瓷温变参数的基础上建立超声电机导纳模型,通过压电陶瓷等效电路模型求得导纳表达式,通过对导纳表达式的进一步求解和温变仿真证实温升会直接影响压电陶瓷的导纳特性,并最终改变超声电机的输出特性。为了进一步探究闭环电流的性质,将超声电机导纳模型中导纳用电压与电流的关系来替代,并固定输入电压不变,这样就得到了电流与频率之间的关系。经过进一步推导证明电流存在极值点,然后搭建开环实验平台通过实验证实超声电机在工作频段内同时存在电流极小值点和驱动效率最大值点,并且两者呈现出良好对应关系,因此给出了最优频率的定义,并基于此设计出温漂补偿方案,通过跟踪电流极小值实现对最优频率的跟踪。其次基于经典极值搜索算的基本原理设计出能够满足定位电流极小值需求的极值搜索算法,并进行仿真分析。针对存在稳态振荡和搜索速度较慢的问题,对极值搜索算法进行优化。最后搭建闭环实验平台,对超声电机输出转速和驱动效率进行实验测试,验证基于跟踪电流极小值的频率跟踪方法对于补偿超声电机温漂特性的效果。

关键词：超声电机温漂补偿频率跟踪极值搜索算法电流极小值

基于微尺度分析方法的MEMS加速度计温漂补偿技术研究

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基于微尺度分析方法的MEMS加速度计温漂补偿技术研究

作者：石帅帅哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

微惯性导航系统是运载体在极端环境中安全、顺利航行的重要保障,复杂工作环境要求系统必须具备高可靠性、高稳定性与高精度。然而,MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)加速度计作为微惯性导航系统中的重要组成部件,其核... 详细信息

微惯性导航系统是运载体在极端环境中安全、顺利航行的重要保障,复杂工作环境要求系统必须具备高可靠性、高稳定性与高精度。然而,MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)加速度计作为微惯性导航系统中的重要组成部件,其核心的梳齿结构由具有很强温度依赖性的硅基材料构成,这使得MEMS加速度计对环境温度具有很强敏感性,进而激励MEMS加速度计输出温漂误差,从而降低微惯性导航系统的准确性、可靠性与稳定性。因此,研究MEMS加速度计温漂补偿技术,对于消除MEMS加速度计对环境温度的依赖性,提高MEMS加速度计稳定性以及提高微惯性导航系统的导航精度具有重要意义。为解决传统MEMS加速度计温漂补偿技术无法精准溯源MEMS加速度计温漂误差及其误差估计不准确问题,提出一种基于微尺度分析方法的MEMS加速度计温漂补偿技术,消除MEMS加速度计对环境温度的依赖性,保证复杂环境下MEMS也能精准、实时、稳定、可靠地输出微惯性信息。主要研究内容如下:首先,为解决MEMS加速度计温漂误差精准溯源问题,基于微尺度分析方法对MEMS加速度计温漂误差溯源技术进行理论分析。通过对硅基材料物理机理进行更加精准地分析研究,提出更加精准热膨胀数学模型,并基于有限元分析方法对梳齿结构热应力形变情况进行仿真,保证构建温漂误差估计模型的可行性。基于数学公式与热膨胀模型对比研究不同情况下三维梳齿结构形变情况,解耦出温漂误差影响因子,从而构建出精准全面的温漂误差溯源模型。其次,为解决基于BP-ANN的传统模型对温漂误差估计精度不高问题,通过对BP-ANN进行仿真分析,明确提高补偿精度方法为解决BP-ANN局部最优问题,并采用GA算法改进BP-ANN。在研究中发现GA在解决局部最优问题时,新引入概率化无序问题,因此采用GA+PSO复合算法改进BP-ANN,仿真验证结果表明复合算法可以解决局部最优与概率化无序问题,从而完成基于GA+PSO复合算法的高精度温漂误差估计模型。再次,为验证基于微尺度分析方法的MEMS加速度计温漂补偿技术,研究并设计温漂补偿技术验证平台,主要包括ARM主控模块、信息采集模块和辅助模块。结合小型化、低成本等设计需求以及对各模块性能要求,经过技术要求分析、电路设计以及系统调试完成验证平台构建,并在Linux系统完成温漂补偿算法的实现。最后,设计静基座条件下的温度升降实验,以ADXL355传感器为例,展开性能测试,并基于参数精准辨识方法设计温漂补偿性能考核实验。实验补偿结果表明,与基于BP-ANN的传统温漂补偿技术相比,引入溯源、估计模型的温漂补偿技术改进度提高16.01%。迭代提高效果表明,基于GA+PSO的温漂补偿技术与基于GA的温漂补偿技术相比,在保障MEMS加速度计温漂效果的同时,在运算实时性方面,前者相比后者取得40%的性能提高。这些结果表明,基于微尺度分析方法的MEMS加速度计温漂补偿技术对MEMS加速度计的温漂误差具备较好的补偿效果。此外,基于微尺度分析方法的MEMS加速度计温漂补偿技术的温漂误差溯源模型以及温漂误差估计模型是一种通用技术,同样适用于其他具备梳齿结构的MEMS器件的温漂补偿技术研究。

关键词： MEMS加速度计微尺度分析方法温漂补偿误差溯源 GA+PSO复合算法

基于神经网络的MEMS陀螺仪温漂补偿方法研究

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微电子学与计算机 2023年第1期40卷 147-155页

作者：郭刚强柴波王云爽赵建涛西安微电子技术研究所陕西西安710054

针对MEMS惯性传感器对温度变化非常敏感问题,提出了一种MEMS陀螺仪实时温度补偿方法,并比较了此方法与传统使用的分段线性拟合方法的补偿效果.首先,使用一个标定过的MEMS-IMU进行温度试验,并在试验过程中采集MEMS陀螺仪的输出;其次,提... 详细信息

针对MEMS惯性传感器对温度变化非常敏感问题,提出了一种MEMS陀螺仪实时温度补偿方法,并比较了此方法与传统使用的分段线性拟合方法的补偿效果.首先,使用一个标定过的MEMS-IMU进行温度试验,并在试验过程中采集MEMS陀螺仪的输出;其次,提出了一个基于MEMS陀螺仪前一时刻温漂输出的实时补偿模型,并引入虚假最近邻算法来确定神经网络隐藏层的神经元个数;然后,采用了一种普通循环神经网络的变体,门循环单元循环神经网络,来辨识所提出模型的输入与输出之间的关系,从而得到完整的MEMS陀螺仪温漂实时补偿模型;最后,比较了所提出的方法和分段线性拟合方法的补偿效果.为了得到定量的比较结果,分别在相同试验条件下和不同升温速率条件下比较了以上两种方法补偿前后MEMS陀螺仪的艾伦方差和零偏稳定性.根据比较结果可知,在以上两种试验条件下,采用所提出的方法补偿后,MEMS陀螺仪的艾伦方差系数和零偏稳定性均显著降低,并且补偿效果均优于分段线性拟合方法.

关键词： MEMS陀螺仪温漂补偿神经网络虚假最近邻

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SSRF定时系统的温漂补偿系统设计

核技术 2009年第1期32卷 6-9页

作者：褚克成殷重先刘德康中国科学院上海应用物理研究所上海201800

上海同步辐射装置(SSRF)的定时信号通过光纤由事件发生器EVG发送到事件接收器EVR,为各个分系统和设备提供精确时序信号,但光纤因SSRF复杂的局部环境而产生温度变化,从而引起EVR的输出信号与高频信号的相位漂移。因此需设计一套温漂补偿... 详细信息

上海同步辐射装置(SSRF)的定时信号通过光纤由事件发生器EVG发送到事件接收器EVR,为各个分系统和设备提供精确时序信号,但光纤因SSRF复杂的局部环境而产生温度变化,从而引起EVR的输出信号与高频信号的相位漂移。因此需设计一套温漂补偿系统来补偿这种因光纤的温度变化而产生的相位漂移,本文详细阐述了温漂补偿系统的硬件架构及相位测量算法,最后给出了温漂补偿系统的测试结果。

关键词：温漂补偿定时系统相位测量算法

MEMS热式风速传感器功耗控制与温漂补偿算法研究

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MEMS热式风速传感器功耗控制与温漂补偿算法研究

作者：杨凯东南大学

学位级别：硕士

随着半导体工业的蓬勃发展,功能强大且全面的智能电子设备逐渐走入了人们生活当中,而MEMS传感器在其中扮演了举足轻重的角色,用MEMS技术制造的各种传感器可以为人们提供丰富多样的实时信息,为人们生活带来极大的便利。由于风速风向信息... 详细信息

随着半导体工业的蓬勃发展,功能强大且全面的智能电子设备逐渐走入了人们生活当中,而MEMS传感器在其中扮演了举足轻重的角色,用MEMS技术制造的各种传感器可以为人们提供丰富多样的实时信息,为人们生活带来极大的便利。由于风速风向信息作为气象监测、工业制造、农业生产以及日常生活中必不可少的关键信息,对风速风向传感器进行研究就显得意义重大。本文介绍了一种以陶瓷材料进行封装的二维MEMS热式风速风向传感器,采用MEMS工艺进行制备,该传感器以恒温差作为工作模式、热温差作为风速检测方式。但是由于该传感器整体功耗偏高且输出具有温漂效应,所以本文主要从软件算法的角度对传感器系统进行功耗控制和温漂补偿的研究。经过研究与测试,得到了功耗较低、输出基本没有温漂的MEMS热式风速风向传感器。传感器的风速测量范围为0-30m/s,测量精度在0.5m/s±3%;风向测量范围在0-360°,测量误差小于±5°,并且初始功耗为239.47mW,相比原来下降26.1%;显示风速在0-35℃范围内误差在±6%以内。本文主要内容为：首先分析测试了实验室基于陶瓷封装的风速传感器原来的恒温差控制电路,发现功耗偏高,为此提出了一种用软件算法的方式模拟硬件功能,并利用MCU的I/O端口输出可编程的PWM波形,使传感器的加热电压从准直流变为脉冲信号,这样不但可以使传感器在不同风速下维持在恒温差工作模式,还可以降低系统功耗。经过实际测试,传感器的系统功耗平均下降10.2%,且风速与风向精度均能达到要求。其次本文对传感器的硬件电路与软件系统进行了功耗测试,发现MCU占据了除传感器芯片外的大部分功耗,且经过测试发现MCU大部分功耗被内核所占用,所以本文提出了一种MCU降频算法,通过降低MCU内核系统时钟频率,并且编程调整MCU内各个模块的时钟使其性能维持不变。最终成功将MCU的功耗降低了67%,结合脉冲加热反馈算法将传感器系统的初始功耗下降了26.1%。最后本文针对传感器的输出温漂问题,进行了研究。通过实验测试发现传感器的输出电压以及显示风速与环境温度存在相对线性的关系,所以本文提出了一种基于环境温度扫描的温漂补偿算法,分别对传感器的输出电压与显示风速进行补偿,经过补偿前后对传感器的温度测试,经该温漂补偿算法传感器在0-35℃范围内的风速测量误差在±6%以内,基本符合对传感器的输出精度要求。

关键词： MEMS热式风速风向传感器陶瓷衬底算法功耗控制温漂补偿

MEMS陀螺仪高精度温漂补偿方法研究及系统设计

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MEMS陀螺仪高精度温漂补偿方法研究及系统设计

作者：高泽铜哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

MEMS陀螺仪具有小尺寸、轻重量、低成本、低功耗和高集成度等很多优点,因此在工业控制、电子产品和国防建设等诸多领域MEMS陀螺仪都得到了广泛的应用。但是MEMS陀螺仪对温度量变化敏感,在温度突变的环境中,会导致MEMS陀螺仪漂移增大,从... 详细信息

MEMS陀螺仪具有小尺寸、轻重量、低成本、低功耗和高集成度等很多优点,因此在工业控制、电子产品和国防建设等诸多领域MEMS陀螺仪都得到了广泛的应用。但是MEMS陀螺仪对温度量变化敏感,在温度突变的环境中,会导致MEMS陀螺仪漂移增大,从而使MEMS陀螺输出误差增大。为了减小温度变化对MEMS陀螺仪精度的影响,提高MEMS陀螺测量精度,可通过设计温漂补偿的方法,对MEMS陀螺仪输出进行数学模型补偿。因此基于MEMS陀螺的高精度温漂补偿系统的设计,对于提高MEMS陀螺的测量输出精度,具有非常重要的意义。本文以提高MEMS陀螺仪输出精度为目的,通过对温漂补偿方法进行研究,设计基于MEMS陀螺的高精度温漂补偿系统,系统的设计主要包括系统测温硬件部分、温漂补偿算法部分和软件实现三大部分。论文主要工作如下:首先,阐述课题的研究背景及意义,分析课题国内外研究现状,包括MEMS陀螺研究现状、测温系统研究现状和温漂补偿模型研究现状。明确系统的功能需求和性能需求,根据设计需求完成对MEMES陀螺温漂补偿系统的总体方案设计,包括有精确测温系统和温漂补偿模型设计方案,并对温漂补偿系统的关键技术进行了分析。其次,针对MEMS陀螺温漂补偿系统需要实现对温度的精确测量问题,通过选取温度传感器和设计测温方案,分析不同测温方案的输出特性并选定以Pt1000为温度传感器的恒流源非平衡电桥测温法,设计精密恒流源测温电路、温度信号放大电路和信号滤波电路,设计以STM32芯片为核心的MCU模块电路和辅助电路模块,最终完成对精确测温系统的设计,为MEMS陀螺的温漂补偿系统提供了基础和硬件平台。再次,为解决MEMS陀螺温漂补偿之间的模型建立问题,分析MEMS陀螺输出误差和温度值之间的强非线性关系,设计合适的温漂补偿算法处理温度和陀螺输出误差之间的数据,利用BP网络强大的非线性处理能力,选用粒子群(PSO)算法对BP网络的易陷入局部极小值的缺点进行优化,完成基于PSO-BP网络的温漂补偿算法模型设计,并利用算法模型的经典测试函数对其进行了验证,验证结果表明,PSO-BP的温漂补偿算法模型的方差、预测误差和误差百分比的性能指标都较BP网络训练更优秀,算法模型为MEMS陀螺的温漂补偿系统提供了数学模型保障。同时,为了对温漂补偿系统进行实现,利用keil ARM5开发环境,通过对温度测量程序的编写、数字滤波器的设计和实现、温漂补偿算法模型的实现、系统初始化、通讯模块程序和主程序的编写,完成对温漂补偿系统的所有软件程序设计。将软件程序固化在STM32芯片的微控制器内。最后,为了验证所设计温漂系统的性能,设计实验,利用高精度低温漂固值电阻代替铂热电阻模拟温度变化,实现对精确测温系统的测温精度的测试。利用温控箱对MEMS陀螺温漂补偿系统进行测试,验证MEMS陀螺温漂补偿系统的的补偿精度。实验验证结果表明,MEMS陀螺仪在补偿前的输出误差在±0.5°/s,补偿后的输出精度提高了50%以上,输出误差保持在±0.2°/s,验证了MEMS陀螺高精度温漂补偿系统的优越性。

关键词： MEMS陀螺仪温漂补偿精确测温算法模型