适用于数字传感器的二维线性修正方法

摘要

本发明涉及一种修正方法，尤其是一种适用于数字传感器的二维线性修正方法，属于数字传感器的技术领域。在数字传感器内建立二维修正标定矩阵坐标系，并利用数字传感器的测试数据对二维修正标定矩阵坐标系中的坐标进行标定，将数字传感器测量得到的物理量作为待修正点，根据所述待修正点与二维修正标定矩阵坐标系内已标定点间的位置关系，确定修正方式，并根据所确定的修正方式进行修正，能同时对测量物理量自身固有的非线性误差以及测量环境对测量结果造成的非线性误差进行修正，有效提高数字传感器的测量精度。

权利要求

1.一种适用于数字传感器的二维线性修正方法，其特征是，所述二维线性修正方法包括如下步骤：

步骤1、提供待修正的数字传感器，所述数字传感器的环境非线性误差与物理量非线性误差近似正交，且数字传感器能测量主要引起所述环境非线性误差的环境变量；

步骤2、在上述数字传感器内建立二维修正标定矩阵坐标系，其中，所述二维修正标定矩阵坐标系的X轴为所述数字传感器的物理量测量范围，Y轴为环境变量的变化范围，Z轴为数字传感器的修正值；在建立二维修正标定矩阵坐标系后，将对所述数字传感器的测试数据填充到所述二维修正标定矩阵坐标系中的坐标上，以得到可修正区域、位于所述可修正区域内的已标定点以及所述已标定点对应的标定修正值；

步骤3、将数字传感器测量得到的物理量作为待修正点，根据所述待修正点与二维修正标定矩阵坐标系内已标定点间的位置关系，确定修正方式，并根据所确定的修正方式进行修正；

所述步骤3中，若待修正点与二维修正标定矩阵坐标内已标定点的位置重合，则所述待修正点的修正值为已标定点的修正值；

若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值相同，则在Y轴上选择与待修正点相邻两个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值；

若待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值相同，则在X轴上选择与待修正点相邻两个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值；

若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值不相同，且待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值不相同时，则选择与待修正点相邻四个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值；

若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值不相同，且待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值不相同时，则选择与待修正点相邻的四个已标定点中，满足如下条件：所述四个已标定点分别为邻近待修正点的已标定点，四个已标定点组成四边形，且至少有一对边平行，同时所述四个已标定点组成四边形的面积最小。

2.根据权利要求1所述的适用于数字传感器的二维线性修正方法，其特征是，在选择确定四个已标定点后，若所述四个已标定点组成四边形的四条边里只有一对边平行，且平行于二维修正标定矩阵坐标系中的X轴，则先将待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差线性修正后，再把待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值；

若所述四个已标定点组成四边形的四条边里只有一对边平行，且平行于二维修正标定矩阵坐标系中的Y轴，则先将待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差线性修正后，再把待测点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值。

3.根据权利要求1所述的适用于数字传感器的二维线性修正方法，其特征是，在选择确定四个已标定点后，若所述四个已标定点组成四边形的四条边两两平行，且数字传感器的物理量非线性误差的线性度优于所述数字传感器的环境非线性误差的线性度时，则先将待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差线性修正后，再把待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值；

若所述四个已标定点组成四边形的四条边两两平行，且数字传感器的环境非线性误差的线性度优于所述数字传感器的物理量非线性误差的线性度时，先将待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点的被测环境变量值引起的非线性误差线性修正后，再把待测点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值。

说明书

适用于数字传感器的二维线性修正方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种修正方法，尤其是一种适用于数字传感器的二维线性修正方法，属于数字传感器的技术领域。

背景技术

[0002] 数字传感器是一种将传统的模拟式传感器经过加装A/D转换电路，可输出数字信号，并具备一定的数据处理能力的传感器。

[0003] 数字传感器在测量数据时存在一定的非线性误差，主要来源以下两个方面：

[0004] a)、由于被测物理量自身的变化带来的测量结果非线性误差(所述非线性误差称之为物理量非线性误差)。

[0005] b)、由测量环境中某些环境参数(如温度、电磁等)的变化导致传感器数字电路部分的物理特性改变而造成的测量结果非线性误差(所述非线性误差称之为环境非线性误差)。

[0006] 为了使传感器测量性能达到最优，通常需要对数字传感器的原始测量数据进行一定的误差修正。现有的误差修正技术主要有查表法和曲线拟合法两种。

[0007] 查表法：分段选取被测物理量的测量点，并进行误差值的标定，根据标定点将非线性误差曲线近似等效成分段的线性曲线，最终根据不同测量范围分段对数字传感器的测量数据进行线性修正。

[0008] 曲线拟合法：通过大量的测试数据拟合出一个以传感器输出值为变量的多项式，多项式的计算结果为误差修正过的数据。

[0009] 以上两种修正方法均属一维修正方法，一维线性修正方法，是一种把已标定点之间的非线性误差近似为线性误差来处理的方法。通常只能消除上述来源a)所造成的非线性误差，无法同时消除误差来源b)带来的非线性误差。

发明内容

[0010] 本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种适用于数字传感器的二维线性修正方法，其能同时对物理量非线性误差以及环境非线性误差进行修正，有效提高数字传感器的测量精度。

[0011] 按照本发明提供的技术方案，一种适用于数字传感器的二维线性修正方法，所述二维线性修正方法包括如下步骤：

[0012] 步骤1、提供待修正的数字传感器，所述数字传感器的环境非线性误差与物理量非线性误差近似正交，且数字传感器能测量主要引起所述环境非线性误差的环境变量；

[0013] 步骤2、在上述数字传感器内建立二维修正标定矩阵坐标系，其中，所述二维修正标定矩阵坐标系的X轴为所述数字传感器的物理量测量范围，Y轴为环境变量的变化范围，Z轴为数字传感器的修正值；在建立二维修正标定矩阵坐标系后，将对所述数字传感器的测试数据填充到所述二维修正标定矩阵坐标系中的坐标上，以得到可修正区域、位于所述可修正区域内的已标定点以及所述已标定点对应的标定修正值；

[0014] 步骤3、将数字传感器测量得到的物理量作为待修正点，根据所述待修正点与二维修正标定矩阵坐标系内已标定点间的位置关系，确定修正方式，并根据所确定的修正方式进行修正。

[0015] 所述步骤3中，若待修正点与二维修正标定矩阵坐标内已标定点的位置重合，则所述待修正点的修正值为已标定点的修正值；

[0016] 若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值相同，则在Y轴上选择与待修正点相邻两个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值；

[0017] 若待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值相同，则在X轴上选择与待修正点相邻两个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值；

[0018] 若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值不相同，且待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值不相同时，则选择与待修正点相邻四个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值。

[0019] 若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值不相同，且待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值不相同时，则选择与待修正点相邻的四个已标定点中，满足如下条件：所述四个已标定点分别为邻近待修正点的已标定点，四个已标定点组成四边形，且至少有一对边平行，同时所述选择的四个已标定点组成四边形的面积最小。

[0020] 在选择确定四个已标定点后，若所述四个已标定点组成四边形的四条边里只有一对边平行，且平行于二维修正标定矩阵坐标系中的X轴，则先将待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差线性修正后，再把待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值；

[0021] 若所述四个已标定点组成四边形的四条边里只有一对边平行，且平行于二维修正标定矩阵坐标系中的Y轴，则先将待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差线性修正后，再把待测点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值。

[0022] 在选择确定四个已标定点后，若所述四个已标定点组成四边形的四条边两两平行，且数字传感器的物理量非线性误差的线性度优于所述数字传感器的环境非线性误差的线性度时，则先将待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差线性修正后，再把待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值；

[0023] 若所述四个已标定点组成四边形的四条边两两平行，且数字传感器的环境非线性误差的线性度优于所述数字传感器的物理量非线性误差的线性度时，先将待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点的被测环境变量值引起的非线性误差线性修正后，再把待测点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值。

[0024] 本发明的优点：在数字传感器内建立二维修正标定矩阵坐标系，并利用数字传感器的测试数据对二维修正标定矩阵坐标进行填充，将数字传感器测量的物理量作为待修正点，根据所述待修正点与二维修正标定矩阵坐标系内已标定点间的位置关系，确定修正方式，并根据所确定的修正方式进行修正，能同时对测量物理量自身固有的非线性误差以及测量环境对测量结果造成的非线性误差进行修正，有效提高数字传感器的测量精度。

附图说明

[0025] 图1为本发明待修正点在二维修正标定矩阵坐标系中的位置关系示意图。

[0026] 图2为本发明利用四个已标定点对待修正点进行修正的示意图。

[0027] 图3为本发明在利用四个已标定点对待修正点进行修正时，待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正的示意图。

[0028] 图4为本发明在利用四个已标定点对待修正点进行修正时，待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正的示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0030] 为了能同时对物理量非线性误差以及环境非线性误差进行修正，有效提高数字传感器的测量精度，本发明所述二维线性修正方法包括如下步骤：

[0031] 步骤1、提供待修正的数字传感器，所述数字传感器的环境非线性误差与物理量非线性误差近似正交，且数字传感器能测量主要引起所述环境非线性误差的环境变量；

[0032] 本发明实施例中，对于确定的数字传感器，引起环境非线性误差的环境变量则随之确定，本发明实施例中，对数字传感器的环境非线性误差进行修正时，是指影响数字传感器最主要的一个环境变量引起的非线性误差。环境非线性误差与物理量非线性误差近似正交，具体是指，环境非线性误差与物理量非线性误差具有较小的相关性，或完全无关。

[0033] 具体地，以湿度数字传感器为例，湿度数字传感器是用来测量环境中的湿度数据的，误差2％是所述湿度数字传感器的性能。但实际使用中发现，随着温度的变化，湿度数字传感器的误差并不是固定的2％，在25℃时，湿度数字传感器的可能误差只有1％，在零下-40度的时候，湿度数字传感器的误差可能会达到5％，甚至更多。气压也会影响到湿度数字传感器的性能，在不同的气压下，湿度数字传感器的误差也会变化，但是可能没有温度变化那么大，比温度的影响低几个量级。因此，对湿度数字传感器而言，温度和气压都是它的影响因子，温度是最主要的影响因子，即温度引起的非线性误差为所述湿度传感器的环境非线性误差，湿度数字传感器测量湿度值引起的非线性误差为物理量非线性误差。具体实施时，数字传感器为其他类型的数字传感器时，则数字传感器的环境非线性误差与物理量非线性误差的具体情况，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

[0034] 步骤2、在上述数字传感器内建立二维修正标定矩阵坐标系，其中，所述二维修正标定矩阵坐标系中的X轴为所述数字传感器的物理量测量范围，Y轴为环境变量的变化范围，Z轴为数字传感器的修正值；在建立二维修正标定矩阵坐标系后，将对所述数字传感器的测试数据填充到所述二维修正标定矩阵坐标系的坐标上，以得到可修正区域、位于所述可修正区域内的已标定点以及所述已标定点对应的标定修正值；

[0035] 本发明实施例中，Z轴的计量单元与X轴相同；对于确定的数字传感器，则二维修正标定矩阵坐标系中，对应X轴的物理量测量范围，Y轴的环境变量的变化范围，则随之确定，具体确定的过程可以参考上述说明，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

[0036] 确定X轴的物理量测量范围、以及Y轴的环境变量变化范围后，开始划分X轴和Y轴的刻度，X轴、Y轴的刻度划分的越小，则建立二维修正标定矩阵坐标对应的网格越密，二维修正标定矩阵坐标上的点越多。具体实施时，网格越密，修正效果越好，但是对数字传感器处理性能的要求就会越高。

[0037] 在数字传感器确定后，可采用本技术领域常用的技术手段实现对数字传感器的测试，所述测试数据包括被测物理量值、在当前被测物理量下的被测环境变量值以及在当前被测物理量、被测环境变量值下的修正值，对数字传感器的具体测试过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。在得到测试数据后，将测试数据填充在二维修正标定矩阵坐标上，在填充时，与X轴、Y轴的划分刻度有关，具体填充过程不再赘述。

[0038] 步骤3、将数字传感器测量得到的物理量作为待修正点，根据所述待修正点与二维修正标定矩阵坐标系内已标定点间的位置关系，确定修正方式，并根据所确定的修正方式进行修正。

[0039] 本发明实施例中，在利用数字传感器测量所需的物理量时，也能实现对环境变量的测量。所述步骤3中，若待修正点与二维修正标定矩阵坐标内已标定点的位置重合，则所述待修正点的修正值为已标定点的修正值；如图1中的A点所示。

[0040] 若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值相同，则在Y轴上选择与待修正点相邻两个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值；如图1中的B点所示，在利用两个已标定点的修正值对待修正点修正时，可以采用现有常用的方式，如采用计算均值，线性拟合等线性修正方法，具体可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

[0041] 若待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值相同，则在X轴上选择与待修正点相邻两个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值；如图1中的C点所示，根据两个已标定点的修正值对待修正点进行修正时，可以参考上述的说明过程，此处不再赘述。本发明实施例中，X轴的划分物理量值以及Y轴的划分环境变量值，具体是指对X轴、Y轴进行坐标划分，并标示的数值，如图1中，Y轴上的0、10、-10均为Y轴的划分环境变量值。

[0042] 若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值不相同，且待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值不相同时，则选择与待修正点相邻四个已标定点的修正值确定所述待修正点的修正值。如图1中的D点所示，此时，需要选择待修正点相邻四个已标定点进行修正。

[0043] 本发明实施例中，若待修正点对应的被测物理量值与二维修正标定矩阵坐标中X轴的划分物理量值不相同，且待修正点对应的被测环境变量值与二维修正标定矩阵坐标中Y轴的划分环境变量值不相同时，则选择与待修正点相邻的四个已标定点中，满足如下条件：所述四个已标定点分别为邻近待修正点的已标定点，四个已标定点组成四边形，且至少有一对边平行，同时所述选择的四个已标定点组成四边形的面积最小。当所选择的四个已标定点满足上述条件时，则为最优四点式模型，如图2所示。

[0044] 具体实施时，在选择确定四个已标定点后，在选择确定四个已标定点后，若所述四个已标定点组成四边形的四条边里只有一对边平行，且平行于二维修正标定矩阵坐标系中的X轴，则先将待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差线性修正后，再把待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值；

[0045] 若所述四个已标定点组成四边形的四条边里只有一对边平行，且平行于二维修正标定矩阵坐标系中的Y轴，则先将待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差线性修正后，再把待测点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值。

[0046] 在选择确定四个已标定点后，若所述四个已标定点组成四边形的四条边两两平行，且数字传感器的物理量非线性误差的线性度优于所述数字传感器的环境非线性误差的线性度时，则先将待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点对应的被测物理量值引起的非线性误差线性修正后，再把待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值；

[0047] 若所述四个已标定点组成四边形的四条边两两平行，且数字传感器的环境非线性误差的线性度优于所述数字传感器的物理量非线性误差的线性度时，先将待修正点对应的被测环境变量值引起的非线性误差进行线性修正，且在待修正点的被测环境变量值引起的非线性误差线性修正后，再把待测点对应的被测物理量值引起的非线性误差进行线性修正，以确定待修正点的修正值。

[0048] 本发明实施例中，对被测环境变量引起的非线性误差进行线性修正，对被测物理量引起的非线性误差进行线性修正，通过分别修正的过程，能确定对待修正点的修正值，进而实现有效的修正过程。具体实施时，上述修正过程的判断以及计算过程均在数字传感器内完成，具体进行线性修正的过程可以采用本技术领域常用的修正方式，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

[0049] 对于被测环境变量引起的非线性误差的非线性修正以及被测物理量引起的非线性误差进行线性修正的计算，下面给出一个具体的计算过程。如图3所示，为本发明对由被测物理量引起的非线性误差进行线性修正的示意图，其中，M1、M2、N1以及N2均为已标定点，对应的坐标分别为：M1(x1m,y1m,z1m)，N1(x1n,y1n,z1n)，M2(x2m,y2m,z2m)，N2(x2n,y2n,z2n)；待修正点为Q，待修正点的Q的坐标为(xq,yq,zq)，待修正值为zq；中间变量E的修正值为ze，中间变量F的修正值为zf。由于平行关系，所以y1m＝y2m，y1n＝y2n,其中ze，zf，zq未知，其余的已知，目标是求zq，进而得到Q(xq,yq,zq)的完整信息。具体地：

[0050] Ze＝((z2m-z1m)/(x2m-x1m))*(xq-x1m)+z1m

[0051] Zf＝((z2n-z1n)/(x2n-x1n))*(xq-x1n)+z1n

[0052] Zq＝((ze-zf)/(y1m-y1n))*(yq-y1n)+zf

[0053] 从而，根据上述计算过程，能确定修正点Q的修正值zq。

[0054] 如图4所示，为本发明对被测环境变量引起的非线性误差进行线性修正的示意图，其中，M3、M4、N3以及N4均为已标定点，对应的坐标分别为：M3(x3m,y3m,z3m)，N3(x3n,y3n,z3n)，M4(x4m,y4m,z4m)，N4(x4n,y4n,z4n)；待修正点为Q，待修正点的Q的坐标为(xq,yq,zq)，待修正值为zq；中间变量H的修正值为zh，中间变量J的修正值为zj。由于平行关系，所以y3m＝y4m，y3n＝y4n,其中zh，zj，zq未知，其余的已知，目标是求zq，进而得到Q(xq,yq,zq)的完整信息。具体地：

[0055] Zh＝((z3m-z4m)/(y3m-y4m))*(yq-y2m)+zjm

[0056] Zj＝((z3n-z4n)/(y3n-y4n))*(yd-y4b)+z4n

[0057] Zq＝((zj-zh)/(x3n-x3m))*(xq-x3m)+zh

[0058] 从而，根据上述的计算过程，能确定待修正点Q的修正值zq。

[0059] 本发明在数字传感器内建立二维修正标定矩阵坐标系，并利用数字传感器的测试数据对二维修正标定矩阵坐标系中的坐标进行填充，将数字传感器所测量到物理量作为待修正点，根据所述待修正点与二维修正标定矩阵坐标系内已标定点间的位置关系，确定修正方式，并根据所确定的修正方式进行修正，能同时对测量物理量自身固有的非线性误差以及测量环境对测量结果造成的非线性误差进行修正，有效提高数字传感器的测量精度。