[發明專利]一種基于灰狼補償算法的高靈敏度全氣象鉑絲電阻式溫度脈動儀

在審

• 申請號: 202210206354.6
• 申請日: 2022-03-07
• 公開（公告）號: CN114577356A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 李興廣;丁煥懿;佟首峰;常帥;張磊
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G01K7/18
• 分類號: G01K7/18;G01K15/00;G01W1/00;G01W1/18;G08C17/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于灰狼補償算法的高靈敏度全氣象鉑絲電阻式溫度脈動儀，包括全氣象鉑絲探頭，太陽輻照強度檢測傳感器ML8511，信號放大單元，AD采集單元，信號處理與通信接口單元。所述全氣象鉑絲探頭包括直徑為2mm的高純度鉑絲，4個小型電路板，BNC接頭，探頭的設計采用四個小型電路板與BNC接頭組成獨特的傘狀結構。本發明的優點在于：通過采用ML8511傳感器消除了太陽輻照帶來的電路增溫問題，通過將灰狼補償算法融合至信號放大單元構建最優參數的四階有源高通濾波器解決了鉑絲探頭檢測滯后性的問題，提升了溫度脈動儀的測量精度和靈敏度，采用鉑絲探頭的傘狀設計結構解決了溫度脈動儀室外工作鉑絲探頭易損壞的問題。

技術領域

本發明涉及一種大氣湍流強度的實驗測量儀器及補償方法，尤其是一種基于灰狼補償算法的高靈敏度全氣象鉑絲電阻式溫度脈動儀。

背景技術

目前，隨著光學領域的飛速發展，光學湍流的研究逐漸受人關注，鉑絲式溫度脈動儀是一種利用雙點測溫原理測量大氣折射率結構常數來表征大氣湍流強度的儀器。

傳統的鉑絲式溫度脈動儀用微細鉑絲作為測溫材料，具有響應迅速、輸出線性等優點，但是當鉑絲式溫度脈動儀工作在雨雪等極端室外天氣條件下現有鉑絲探頭設計方式沒有任何保護十分容易損壞。此外，太陽輻照的突然變化會對鉑絲感應溫度變化的測量產生影響。本發明專利通過獨特的鉑絲防護探頭設計有效延長了鉑絲探頭使用壽命，確保儀器可以正常工作在極端的天氣條件下。采用傳感器與算法相結合的技術，采用ML8511傳感器，通過將光電流轉化成電壓的原理來檢測光照強度，將實時檢測到的電壓數據發送至單片機中，通過融合補償算法實現對光照強度的補償，解決光照強度突然變化對儀器測量產生的影響

由于鉑絲探頭的設計模式使得前端放大電路感應溫度變化具有一定滯后性，因此創新性的采用灰狼補償算法。灰狼算法是一種新穎的群體智能優化算法，它通過模擬灰狼群體的狩獵行為最終實現優化的目的，灰狼群體根據其嚴格的等級制度將灰狼個體從高到低進行排序，各個灰狼個體分別計算自己與獵物的位置，從而實現灰狼群體對獵物的包圍和各個方向的攻擊，最終定位獵物精準位置，成功捕獲獵物，通過多次迭代計算最優補償系統傳遞函數參數值，通過將鉑絲探頭的實測數據與鉑絲實測數據進行對比構造一個溫度脈動儀系統的傳遞函數，通過灰狼補償算法的迭代計算設計出本系統的最優動態補償濾波器，解決鉑絲探頭感應溫度變化的滯后問題。

發明內容

本發明的目的在于設計一種基于灰狼補償算法的高靈敏度全氣象鉑絲電阻式溫度脈動儀，以解決上述提出的問題。

為了實現上述要求，本發明提出的技術方案如下：一種具有太陽輻照和氣壓溫度補償功能的鉑絲電阻式溫度脈動儀，包含有全氣象鉑絲探頭、ML8511傳感器、單片機、信號放大單元，AD采集單元，信號處理與通信接口單元。

本發明設計的傘狀結構鉑絲探頭，采用棉線與小型電路板組成類似傘狀結構的鉑絲探頭可以在多氣象條件下對鉑絲進行保護，在雨、雪、大風等極端天氣條件下，棉線和漁線起到緩沖作用保護鉑絲，有效延長了鉑絲探頭的使用壽命。

本發明采用了ML8511傳感器模塊放置在與鉑絲探頭同一水平線距離相近處可以檢測出太陽輻照強度帶來的溫度差值，單片機傳感器測量得到的太陽輻照強度發送至上位機，上位機通過溫度補償算法計算出太陽輻照帶來的溫度影響對溫度進行補償，減小系統誤差。

本發明設計的信號放大單元采用惠斯通電橋的方式將全氣象鉑絲探頭相連接，鉑絲探頭將溫度變化轉化電路中的電壓值變化，將傘狀設計的鉑絲探頭與普通鉑絲的室外實測信號記錄下，將傘狀設計鉑絲探頭實測數據作為動態補償濾波器的輸入信號，將普通鉑絲實測數據作為動態補償濾波器的輸出信號，通過灰狼算法的迭代計算，其中灰狼補償算法設置種群大小為100，最大迭代次數為20000，灰狼群體通過對多次實驗數據進行捕獲，各個灰狼個體根據適應度函數不斷進行迭代計算得出最優函數值，最終成功構建一個最優動態補償濾波器，信號放大單元中的濾波電路參數設置根據灰狼算法計算得出的最優傳遞函數值設定，最終實現對鉑絲探頭感應溫度變化的時間響應進行動態補償，減小溫度脈動儀系統誤差。