一种改进的微型阻抗测量自校准算法和装置

摘要

本发明涉及压电阻抗法结构健康监测技术领域，提供了一种改进的微型阻抗测量自校准算法和装置。根据修正后四组数据幅值和形状偏差的最稳定点来挑选校准电阻，从而实现微型阻抗测量装置自校准的功能。本发明所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。

权利要求

1.一种改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，包括：

对待测电阻的测量数据按照阻抗修正公式进行修正，把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列；

分别计算每相邻的两组修正后的测量数据的幅值相对误差随反馈电阻值的变化率和曲线形状相对误差随反馈电阻值的变化率；

选出幅值相对误差随反馈电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第二得分；

将选出的候选电阻区间RI1和候选电阻区间RI2取并集构成候选电阻区间RI，把候选电阻区间RI中的每个电阻在幅值相对误差变化率下的第一得分和曲线形状相对误差变化率下的第二得分进行求和；

挑选求和后的得分最高的电阻作为最佳反馈电阻。

2.根据权利要求1所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，判断所挑选出来的最佳反馈电阻是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻个数不唯一，方法还包括：挑选多个最佳反馈电阻中，相应电阻值与候选电阻区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻。

3.根据权利要求1所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，所述对待测电阻的测量数据按照阻抗修正公式进行修正，包括校准阶段和测量阶段，具体的：在校准阶段中，与反馈电阻RFB连接电阻值相等的校准电阻Rcal，采集得到的校准电阻的第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem；

在测量阶段中，将所述校准电阻替换为待测物体，然后采集返回的第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的阻抗模值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。

4.根据权利要求3所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，计算增益系数GF和系统相位θsystem，计算公式如下：GF=(1/Rcal)/M校；

θsystem=arctan(I校/R校)×180°/π；

Rcal为校准电阻的电阻值，为已知值； ，为校准阶段测得的校准电阻的阻抗模值；I校为校准阶段测得的校准电阻的阻抗虚部，R校为校准阶段测得的校准电阻的阻抗实部。

5.根据权利要求4所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正得到修正后阻抗幅值Z，具体修正公式为：Z=(1/GF)/M测=(M校×Rcal)M测；

其中， ，为测量阶段测得的待测物体的阻抗模值；Z为使用增益系数GF

对阻抗模值M测进行修正后的待测物体的阻抗幅值；I测为测量阶段测得的待测物体的阻抗虚部；R测为测量阶段测得的待测物体的阻抗实部。

6.根据权利要求5所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，根据测量阶段测得的待测物体的阻抗实部和待测物体的阻抗虚部计算得到的阻抗相位θ测为：θ测=arctan(I测/R测)×(180°/π)；

以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位θ测进行修正，系统修正公式为：θ=θ测‑θsystem；其中，θ为精确的阻抗相位。

7.根据权利要求6所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，由于arctan函数的值域为[‑π/2,π/2]，而实际相位的范围为[‑π,π]，因此所述系统相位θsystem和阻抗相位θ测均需要进行相位的象限修正；所述象限修正包括：第一象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)；

第二象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；

第三象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；

第四象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+360°；

其中，x为“测”或者system，相应的i为“校”或“测”。

8.根据权利要求1所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，分别计算每两组相邻测量数据的幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S，具体包括：其中， ；m为测量频率点数量； 为第j个位置的反馈电阻

RFB下所测得的校准数据中的第i个频率点数据，分别使用阻抗幅值Z、阻抗相位 、阻抗实部G和阻抗虚部X中的一项或者多项作为具体参数表达式替代字母S，其中，X是最终修正后的测量数据的阻抗虚部，Z是最终修正后得到的测量数据中的阻抗幅值； 为第j个位置的反馈电阻RFB下所测得的修正后的测量数据的平均值；△R为第j+1个位置的反馈电阻与第j个位置的反馈电阻的电阻值之差； 为第j个位置的反馈电阻下所测得的修正后的测量数据的标准差；REA_Sj为第j个位置的反馈电阻的经过修正后的测量数据的幅值相对误差变化率值；CCD_Sj为第j个位置的反馈电阻的测量数据与第j+1个位置的反馈电阻的测量数据的互相关距离；RES_Sj为第j个位置的反馈电阻的测量数据曲线形状相对误差变化率值。

9.根据权利要求1所述的改进的微型阻抗测量自校准算法，其特征在于，反馈电阻的得分计算公式如下：j

P为第j个位置的反馈电阻的得分； 为第j个位置的反馈电阻在REA_S指标下的第一得分； 为第j个位置的反馈电阻在RES_S指标下的第二得分；α1为测量数据幅值相对误差变化率的得分权重；α2为测量数据曲线形状相对误差变化率的得分权重；α1和α2根据对测量数据幅值和曲线形状的挑选要求偏重进行设置；S=Z、 、G或X；其中，Z为阻抗幅值、 为阻抗相位、G为阻抗实部和X为阻抗虚部；REA_S为每两组相邻测量数据的幅值相对误差随电阻值的变化率和RES_S为每两组相邻测量数据的曲线形状相对误差随电阻值的变化率。

10.一种改进的微型阻抗测量自校准装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，用于执行权利要求1‑9任一所述的改进的微型阻抗测量自校准算法。

说明书

一种改进的微型阻抗测量自校准算法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及压电阻抗法结构健康监测技术领域，特别是涉及一种改进的微型阻抗测量自校准算法和装置。

背景技术

[0002] 压电阻抗技术，通过检测被测物体阻抗信号的变化来监测结构的安全性以及损伤状态信息的变化，对监测结构早期的微小损伤具有较高的灵敏度，具有实施简单，可以应用于复杂结构，所需的传感器价格便宜，质量轻体积小，转换效率高，长期稳定性好等优点。因此，压电阻抗技术被认为是结构健康监测领域中最有发展前景的结构无损检测技术之一。

[0003] 传统的基于阻抗的损伤检测技术主要使用精密阻抗分析仪进行阻抗测量。但是传统的压电阻抗测量设备‑‑‑‑精密阻抗分析仪，具有价格昂贵、体积大，不便于携带测量等缺点，因此，国内外学者开始研究使用经济便携、体积小的微型阻抗测量设备替代精密阻抗分析仪进行阻抗检测。

[0004] 微型阻抗测量设备在使用之前需要进行校准，校准结果的好坏会严重影响后续测量中的测量结果和测量效果。以往学者主要使用增益系数校准方法来实现微型阻抗测量设备的独立校准以及阻抗测量。增益系数校准方法主要通过在微型阻抗测量设备内部的单片机中针对不同的阻抗测量范围存储不同的增益系数以及使用不同的反馈电阻对待测物体进行测量从而实现微型阻抗测量设备在实际使用中进行独立校准。例如在专利号为CN108562795A，专利名称为一种太阳阻抗测量系统的专利文献中，中国科学院大学半导体研究所的苏都研制的阻抗测量系统，根据阻抗测量模块的测量结果调整阻抗测量范围并使用不同反馈电阻值和增益系数，使得测量结果始终保持在量程以内；例如在专利号为CN206002605U，专利名称为一种基于STM32F105RC便携式阻抗测量仪的专利文献中，安徽理工大学的唐明玉研制的便携式测量仪，根据测量信号的范围基于STM32单片机自动切换至合适的反馈电阻进行阻抗测量，并依据所测得的阻抗实部和虚部根据拟合函数拟合计算出阻抗值；例如在专利号为CN213780212U，专利名称为一种基于STM32的三端器件阻抗测量仪的专利文献中，浙江力德仪器有限公司的赵先成研制的三端器件阻抗测量仪，依据测量得到的阻抗信号的范围选择切换不同的反馈电阻进行阻抗测量并使用标定模式下得到的增益系数计算得到最终的阻抗值。

[0005] 上述所使用的增益系数校准方法可以保证输出电压控制在后续的模拟数字转换器的输入范围之内，避免因为响应信号过大或过小而产生误差，但是在进行量程选择的时候只考虑了阻抗幅值的范围并没有考虑阻抗相位的影响，不能保证所测量得到的数据在考虑阻抗幅值和曲线形状上与精确数据最接近，而且容易发生数据记录溢出现象，导致测出来的曲线非连续，测量结果不理想。

[0006] 鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是现有技术在进行量程选择的时候只考虑了阻抗幅值的范围并没有考虑阻抗相位的影响，不能保证所测量得到的数据在考虑阻抗幅值和曲线形状上与精确数据最接近，而且容易发生数据记录溢出现象，导致测出来的曲线非连续，测量结果不理想。

[0008] 本发明采用如下技术方案：

[0009] 第一方面，本发明提供了一种改进的微型阻抗测量自校准算法，包括：

[0010] 对待测电阻的测量数据按照阻抗修正公式进行修正，把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列；

[0011] 分别计算每相邻的两组修正后的测量数据的幅值相对误差随反馈电阻值的变化率和曲线形状相对误差随反馈电阻值的变化率；

[0012] 选出幅值相对误差随反馈电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第二得分；

[0013] 将选出的候选电阻区间RI1和候选电阻区间RI2取并集构成候选电阻区间RI，把候选电阻区间RI中的每个电阻在幅值相对误差变化率下的第一得分和曲线形状相对误差变化率下的第二得分进行求和；

[0014] 挑选求和后的得分最高的电阻作为最佳反馈电阻。

[0015] 优选的，判断所挑选出来的最佳反馈电阻是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻个数不唯一，方法还包括：

[0016] 挑选多个最佳反馈电阻中，相应电阻值与候选电阻区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻。

[0017] 优选的，所述对测量数据按照阻抗修正公式进行修正，包括校准阶段和测量阶段，具体的：

[0018] 在校准阶段中，与反馈电阻RFB连接电阻值相等的校准电阻Rcal，采集得到的校准电阻的第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem；

[0019] 在测量阶段中，将所述校准电阻替换为待测物体，然后采集返回的第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的幅值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。

[0020] 优选的，计算增益系数GF和系统相位θsystem，计算公式如下：

[0021] GF=(1/Rcal)/M校；

[0022] θsystem=arctan(I校/R校)×180°/π；

[0023] Rcal为校准电阻的电阻值，为已知值； ，为校准阶段测得的校准电阻的阻抗模值；I校为校准阶段测得的校准电阻的阻抗虚部，R校为校准阶段测得的校准电阻的阻抗实部。

[0024] 优选的，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正得到修正后阻抗幅值Z，具体修正公式为：

[0025] Z=(1/GF)/M测=(M校×Rcal)M测；

[0026] 其中， ，为测量阶段测得的待测物体的阻抗模值；Z为使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正后的待测物体的阻抗幅值；I测为测量阶段测得的待测物体的阻抗虚部；R测为测量阶段测得的待测物体的阻抗实部。

[0027] 优选的，根据测量阶段测得的待测物体的阻抗实部和待测物体的阻抗虚部计算得到的阻抗相位θ测为：

[0028] θ测=arctan(I测/R测)×(180°/π)；

[0029] 以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位θ测进行修正，系统修正公式为：θ=θ测‑θsystem；其中，θ为精确的阻抗相位。

[0030] 优选的，由于arctan函数的值域为[‑π/2,π/2]，而实际相位的范围为[‑π,π]，因此所述测得的相位θsystem和θ测均需要进行相位的象限修正；所述象限修正包括：

[0031] 第一象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)；

[0032] 第二象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；

[0033] 第三象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；

[0034] 第四象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+360°；

[0035] 其中，x为“测”或者system，相应的i为“校”或“测”。

[0036] 优选的，分别计算每两组相邻测量数据的幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S，具体包括：

[0037]

[0038] 其中， ；m为测量频率点数量；为第j个位置的反馈电阻RFB下所测得的校准数据中的第i个频率点数据，分别使用阻抗幅值Z、阻抗相位 、阻抗实部G和阻抗虚部X中的一项或者多项作为具体参数表达式替代字母S，其中，X是最终修正后的测量数据的阻抗虚部，Z是最终修正后得到的测量数据中的阻抗幅值； 为第j个位置的反馈电阻RFB下所测得的修正后的测量数据的平均值；△R为第j+1个位置的反馈电阻与第j个位置的反馈电阻的电阻值之差； 为第j个位置的反馈电阻下所测得的修正后的测量数据的标准差；REA_Sj为第j个位置的反馈电阻的经过修正后的测量数据的幅值相对误差变化率值；CCD_Sj为第j个位置的反馈电阻的测量数据与第j+1个位置的反馈电阻的测量数据的互相关距离；RES_Sj为第j个位置的反馈电阻的测量数据曲线形状相对误差变化率值。

[0039] 优选的，反馈电阻的得分计算公式如下：

[0040]

[0041] Pj为第j个位置的反馈电阻的得分； 为第j个位置的反馈电阻在REA_S指标下的第一得分； 为第j个位置的反馈电阻在RES_S指标下的第二得分；α1为测量数据幅值相对误差变化率的得分权重；α2为测量数据曲线形状相对误差变化率的得分权重；α1和α2根据对测量数据幅值和曲线形状的挑选要求偏重进行设置；S=Z、、G或X。

[0042] 第二方面，本发明还提供了一种改进的微型阻抗测量自校准装置，用于实现第一方面所述的改进的微型阻抗测量自校准方法，所述装置包括：

[0043] 至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，用于执行第一方面所述的改进的微型阻抗测量自校准方法。

[0044] 第三方面，本发明还提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，用于完成第一方面所述的改进的微型阻抗测量自校准方法。

[0045] 本发明在挑选测量数据的时候综合考虑了阻抗幅值和阻抗相位的相对变化，所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。

[0046] 相比增益系数校准方法所测量得到的数据，本发明基于对所有测量得到的数据进行遍历计算与分析所挑选出来的测量数据在阻抗幅值和阻抗相位的精度上均有所提高。

[0047] 进一步，本发明所挑选的校准效果最好的测量数据是一组完整的测量数据，不会在个别频率点上出现记录溢出的现象，可以保证所得到的测量数据为连续的数据。

附图说明

[0048] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0049] 图1是本发明实施例提供的一种改进的微型阻抗测量自校准算法的流程示意图；

[0050] 图2是本发明实施例提供的一种改进的微型阻抗测量自校准算法的实例架构示意图；

[0051] 图3是本发明实施例提供的一种改进的微型阻抗测量自校准算法的流程示意图；

[0052] 图4是本发明实施例提供的一种改进的微型阻抗测量自校准的系统架构示意图；

[0053] 图5是本发明实施例提供的一种改进的微型阻抗测量自校准系统架构局部结构示意图；

[0054] 图6是本发明实施例提供的一种增益系数校准方法的增益系数表示例；

[0055] 图7是本发明实施例提供的传统的增益系数校准方法的计算流程图；

[0056] 图8是本发明实施例提供的一种增益系数校准方法的阻抗幅值测量结果；

[0057] 图9是本发明实施例提供的一种改进的微型阻抗测量自校准算法的流程示意图；

[0058] 图10是本发明实施例提供的一种阻抗相位象限修正关系表；

[0059] 图11是本发明实施例提供的一种本发明实施例的自校准算法的计算指标排名得分表；

[0060] 图12是本发明实施例提供的一种自校准算法的阻抗幅值测量结果；

[0061] 图13是本发明实施例提供的一种自校准算法的阻抗相位测量结果；

[0062] 图14是本发明实施例提供的一种自校准算法与传统的增益系数校准方法的阻抗幅值测量对比图；

[0063] 图15是本发明实施例提供的一种对比两种方法所测量得到的阻抗幅值数据与精确数据之间的相对误差结果图；

[0064] 图16是本发明实施例提供的一种改进的微型阻抗测量自校准装置结构示意图。

具体实施方式

[0065] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0066] 此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0067] 实施例1

[0068] 本发明实施例1提供了一种改进的微型阻抗测量自校准算法，如图1所示，包括：

[0069] 在步骤201中，对测量数据按照阻抗修正公式进行修正，把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列。

[0070] 在某一实现过程中，可以基于AD5933实用不同的反馈电阻对待测对象进行校准以及测量，得到多组反馈电阻下的校准阶段的校准数据以及测量阶段的测量数据。

[0071] 在步骤202中，分别计算每两组修正后的相邻测量数据的幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S。例如图2所示，所示修正后的相邻测量数据，在图2中，一个电阻下会有四组数据，其中，字符S的取值包括Z、、G和X四种情况，Z为使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正后的待测物体的阻抗幅值，θ以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位θ测进行修正后的，G是最终修正后的测量数据的阻抗实部，X是最终修正后的测量数据的阻抗虚部，其中，阻抗实部和虚部是由Z和 按照公式换算得到的：G=Z×cosθ，X=Z×sinθ。这里的RES_S和REA_S代表是一整组数据和另一整组数据的相对偏差，在图2中RES_S表现为RES_Z、RES_ 、RES_G和RES_X，即图2中RES_Xi‑1代表的是电阻Ri‑1下的 ，与Ri下的 相对偏差，其他的参数表达式依次类推。

[0072] 在步骤203中，选出幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第二得分。

[0073] 如图2所示的实例中，在进行选择的过程中，会围绕Z、 、G和X四个维度进行各自幅值相对误差随电阻值的变化率的排序以及曲线形状相对误差随电阻值的变化率的排序；在可选的实现方式中，可以选择其中的一项或者多项的排序做加权计算后得到最终的排序结果。在本发明实施例2中也将呈现直接采用其中Z单一维度作为计算幅值相对误差随电阻值的变化率的排序的解决方案实例，在此不过多赘述。

[0074] 在步骤204中，将选出的候选电阻区间RI1和候选电阻区间RI2取并集构成候选电阻区间RI，把候选电阻区间RI中的每个电阻在幅值变化率下的第一得分和曲线形状变化率下的第二得分进行求和。

[0075] 相应的计算方式的某一具体实例可以参考图2所呈现的架构示意图；而相应的实现细节也将在本发明后续扩展实施例中具体展开阐述。

[0076] 在步骤205中，挑选求和后的得分最高的电阻作为最佳反馈电阻。

[0077] 该电阻即为最适合用于该测量对象的微型阻抗测量装置的校准电阻。该校准电阻可以用于帮助微型阻抗测量装置进行校准及测量。

[0078] 本发明实施例在挑选测量数据的时候综合考虑了阻抗幅值和阻抗相位的相对变化，所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。

[0079] 进一步，本发明所挑选的校准效果最好的测量数据是一组完整的测量数据，不会在个别频率点上出现记录溢出的现象，可以保证所得到的测量数据为连续的数据。

[0080] 在本发明实施例中，在步骤205中还可能出现复杂情况，即判断所挑选出来的最佳反馈电阻是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻个数不唯一，方法还包括：

[0081] 挑选多个最佳反馈电阻中，相应电阻值与候选电阻区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻。

[0082] 结合本发明实施例，对于实施例1中步骤201中涉及的所述对测量数据按照阻抗修正公式进行修正，展开阐述包括校准阶段和测量阶段，如图3所示，具体的：

[0083] 以图4所示的测试电路架构为例，对电路输入电压Vin并采集其输出信号Vout，接着对Vout信号进行傅里叶分解之后会得到各个频率点下的阻抗实部和阻抗虚部，即微型阻抗测量设备在校准阶段会测量得到阻抗实部数据R校、阻抗虚部数据I校；然后，测量阶段会测量得到阻抗实部数据R测和阻抗虚部数据I测。

[0084] 在具体实现过程中，为了提高反馈电阻切换的效率，也可以采用如图5所示的反馈电阻组件，将多个可供选择的反馈电阻预先用选择开关搭建起来，并通过相应选择开关的闭合来实现不同反馈电阻接入测试电路的需求。

[0085] 在步骤2011中，在校准阶段中，与反馈电阻RFB连接电阻值相等的校准电阻Rcal，采集得到的校准电阻的第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem。

[0086] 在步骤2012中，在测量阶段中，将所述校准电阻替换为待测物体，然后采集返回的第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的模值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。

[0087] 其中，计算增益系数GF和系统相位θsystem，计算公式如下：

[0088] GF=(1/Rcal)/M校；（1）

[0089] θsystem=arctan(I校/R校)×180°/π；（2）

[0090] Rcal为校准电阻的电阻值，为已知值； ，为校准阶段测得的校准电阻的阻抗模值；I校为校准阶段测得的校准电阻的阻抗虚部，R校为校准阶段测得的校准电阻的阻抗实部。

[0091] 相应的，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正，具体修正公式为：

[0092] Z=(1/GF)/M测=(M校×Rcal)M测；（3）

[0093] θ测=arctan(I测/R测)×(180°/π)；（4）

[0094] 其中， ，为测量阶段测得的待测物体的阻抗模值；Z为使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正后的待测物体的阻抗幅值；I测为测量阶段测得的待测物体的阻抗虚部；R测为测量阶段测得的待测物体的阻抗实部；θ测为根据测量阶段测得的待测物体的阻抗实部和待测物体的阻抗虚部计算得到的阻抗相位。

[0095] 其中，由于arctan函数的值域为[‑π/2,π/2]，而实际相位的范围为[‑π,π]，因此所述测得的相位θsystem和θ测均需要进行相位的象限修正；

[0096] 最终使用 的相位数据还需要进行系统相位修正，系统相位修正公式为：θ=θ测‑θsystem；（5）其中，θ为精确的阻抗相位。根据上述公式可以实现对微型阻抗测量设备进行校准以及测量使用，并将微型阻抗测量设备的测量数据修正成准确数据，由此可以实现使用微型阻抗测量设备进行高精度测量。

[0097] 所述象限修正包括：

[0098] 第一象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)；

[0099] 第二象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；

[0100] 第三象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；

[0101] 第四象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+360°；

[0102] 其中，x为“测”或者system，相应的i为“校”或“测”。

[0103] 结合发明实施例，在步骤中202所涉及的，分别计算每两组相邻测量数据的幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S，在本发明实施例中同样提供了一种具体实现方式，包括：

[0104] （6）

[0105] （7）

[0106] 其中， ；m为测量频率点数量； 为第j个位置的反馈电阻RFB下所测得的校准数据中的第i个频率点数据，可以分别使用阻抗幅值、阻抗相位、阻抗实部和阻抗虚部数据替代表达式S，即S=Z、、G或X；

[0107] 其中， 为第j个位置的反馈电阻RFB下所测得的修正后的测量数据的平均值；△R为第j+1个位置的反馈电阻与第j个位置的反馈电阻的电阻值之差； 为第j个位置的反馈电阻下所测得的修正后的测量数据的标准差；REA_Sj为第j个位置的反馈电阻的经过修正后的测量数据的幅值相对误差变化率值；CCD_Sj为第j个位置的反馈电阻的测量数据与第j+1个位置的反馈电阻的测量数据的互相关距离；RES_Sj为第j个位置的反馈电阻的测量数据曲线形状相对误差变化率值，S=Z、、G或X。其中，上面的I是测量返回的阻抗虚部，I并不是最终正确的阻抗虚部；这里的X是最终修正后的正确的阻抗虚部；M是阻抗模值，Z是最终修正后得到的阻抗幅值，M和Z可以通过GF换算得到。

[0108] 结合本发明实施例，还提供了一种反馈电阻的得分计算方法，相应计算公式如下：

[0109] （8）

[0110] Pj为第j个位置的反馈电阻的得分； 为第j个位置的反馈电阻在REA_S指标下的第一得分； 为第j个位置的反馈电阻在RES_S指标下的第二得分；α1为测量数据幅值相对误差变化率的得分权重；α2为测量数据曲线形状相对误差变化率的得分权重；α1和α2根据对测量数据幅值和曲线形状的挑选要求偏重进行设置；S=Z、 、G或X，在本发明实施例中，可选的α1=α2=0.5。

[0111] 实施例2

[0112] 在结构健康监测领域中，当使用微型阻抗测量设备基于阻抗法进行损伤监测的时候，一般先在微型阻抗测量设备上连接压电陶瓷换能器（Piezoelectric Transducer，简写为：PZT），然后将压电陶瓷换能器PZT粘贴到待监测物体上，然后，基于特定的算法，微型阻抗测量设备可以自动对待监测物体进行阻抗测量。传统的帮助微型阻抗测量设备进行自动测量的算法有增益系数校准方法，下面分别详细对比增益系数校准方法和本发明的自校准算法的差异。

[0113] 首先使用25个反馈电阻，采用增益系数校准方法对一个铁条进行[50kHz，60kHz]频率范围内的阻抗进行测量，增益系数法是适合嵌入单片机里面使用的算法，然后因为单片机的存储量和计算能力有限，它只能存储某个特定频率点下的增益系数，不可能实现增益系数的频率点全覆盖，所以在实际阻抗测量中，无可避免会存在所使用的增益系数的频率值不在所测量的频率区间范围内的问题，因此，为了与实际应用情况相符，本发明实施例中选择使用10kHz频率点下的增益系数，所使用的反馈电阻、阻抗测量范围以及增益系数如图6所示，可以依据阻抗的范围和增益系数计算出该反馈电阻下的测量模值范围，模值范围计算如下（为了便于实施例1和实施例2中公式编号自成一体系，便于浏览，在实施例1中公式编号从1开始，实施例2中公式编号从21开始）：

[0114] Mx=(1/GF)/Zx=1/(GF×Zx)；（21）其中，GF是增益系数，Zx是待测物体的阻抗幅值，Mx是待测物体的阻抗模值；

[0115] 其中，Zx与测量设备的参数设置有关，以改进的微型阻抗测量自校准的系统架构示意图如图4所示的测量设备为例，输出信号为

[0116] （22）

[0117] 因此，Zx与测量设备的参数设置的关系如下：

[0118] （23）

[0119] 把公式（23）代入公式（21）和公式（22）中，可得如下关系：

[0120] （24）

[0121] 测量设备的输出电压需要满足一定的范围，由公式（24）可得，当测量参数设置固定（如：可编程增益放大器，Programmable Gain Amplifier，简写为：PGA；以及输入电压Vin固定），可以根据增益系数GF，反馈电阻值RFB，计算得到不同反馈电阻所对应的模值测量范围，及Mmax和Mmin。

[0122] 增益系数校准方法的测量流程如图7所示。

[0123] 首先切换至最小档位的反馈电阻（例如此处使用的是470Ω反馈电阻）对待测物体进行第一个频率点（例如50kHz）下的阻抗测量，返回测量得到的模值，然后判断该测量得到的模值是否处于470Ω反馈电阻的模值范围内，如果不是，则切换至下一档位的反馈电阻重新测量并判断，直至所测量得到的模值处于所使用的反馈电阻的模值范围内，然后根据该档位反馈电阻下的增益系数计算阻抗值：

[0124] Z=(1/GF)/Mx=1/(GF×Mx)；其中，M是测量得到的模值；

[0125] 如果该频率点在所有档位的反馈电阻下所测量得到模值均不在相应的模值范围内，则标记该频率点记录溢出。最后记录以及输出计算得到的阻抗值，并重复以上流程测量下一个频率点下的阻抗。

[0126] 上述现有技术的增益系数校准方法的测量结果如图8所示，可以看到测量数据与精确数据存在一定误差，而且可以看到在图8中标注的，1、2点之间（在图中表现为测量数据线上的两个相邻的点，并且在他们之间发生了测量数据的中断），3、4点之间，5、6点之间以及7、8点之间均出现了记录溢出，导致所测量得到的阻抗幅值曲线不连续。而且该算法只返回阻抗幅值数据，并没有考虑以及返回阻抗相位数据。因此，需要一种测量数据连续，能够同时返回阻抗幅值和阻抗相位数据的高精度测量方法。

[0127] 本发明实施例基于实施例1所提出的一种改进的微型阻抗测量自校准算法基础上，进一步结合上述介绍的已有增益系数校准算法场景，阐述本发明技术方案对应场景下的创新性实现过程，从而通过对比的方式呈现本发明的改进效果。本发明采用该算法使用25个反馈电阻对上述铁条进行[50kHz，60kHz]频率范围内的阻抗进行测量。首先选择其中一个反馈电阻对微型阻抗测量设备进行校准，采集校准阶段反馈电阻的阻抗实部R校和阻抗虚部I校数据，然后切换开关连接待测物体进行测量，采集测量阶段待测物体的阻抗实部R测和阻抗虚部I测数据。依次切换不同的校准电阻进行校准以及测量，重复以上的流程。在把所有校准阶段下的反馈电阻的阻抗实部R校和阻抗虚部I校数据以及相应的待测物体的阻抗实部R测和阻抗虚部I测数据采集回来之后，使用本发明的自校准算法对所有测量数据进行处理和分析，算法的计算流程图如图9所示，包括如下步骤：

[0128] 步骤301中，采集测量数据，并对测量数据按照阻抗修正公式进行修正。

[0129] 修正过程中的校准阶段：如图4所示，Zx位置连接电阻值与反馈电阻相等的校准电阻，然后采集得到的校准电阻的阻抗实部值R校和阻抗虚部值I校，然后根据计算得到的校准电阻的阻抗模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem，计算公式如实施例1中的公式（1）~公式（2）。

[0130] 修正过程中的测量阶段：如图4所示，Zx位置连接待测物体，然后采集返回的待测物体的阻抗实部值R测和阻抗虚部值I测，然后计算得到待测物体的阻抗模值M测，最后，使用校准阶段得到的增益系数对待测物体的阻抗模值进行修正，修正公式如实施例1中的公式（3）；使用R测和I测计算测量阶段测得的待测物体的阻抗相位，并实用系统相位θsystem对阻抗相位θ测进行修正，修正公式如实施例1中的公式（4）~公式（5）。

[0131] 由于arctan函数的值域为[‑π/2,π/2]，而实际相位的范围为[‑π,π]，因此上面测得的相位θsystem和θ测均需要进行象限修正，相位的象限修正关系如图10所示，详见实施例1中关联描述。

[0132] 根据上述公式可以实现对微型阻抗测量设备进行校准以及测量使用，并将微型阻抗测量设备的测量数据修正成准确数据，由此可以实现使用微型阻抗测量设备进行高精度测量。

[0133] 在步骤302中，把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列。

[0134] 在步骤303中，分别计算每两组相邻数据的幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S。

[0135] 计算相邻数据的幅值相对误差随电阻值的变化率和曲线形状相对误差随电阻值的变化率的公式，计算公式如公式（6）（7）。~

[0136] 在步骤304中，选出幅值相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选区间RI1，并根据变化率的相对大小计算每个电阻的得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选区间RI2，并根据变化率的相对大小计算每个电阻的得分，对于每个电阻下的得分如图11所示。

[0137] 在步骤305中，把上述选出的候选电阻区间RI1和RI2取并集构成候选电阻区间RI，并且把候选电阻区间RI中的每个电阻在幅值变化率下的得分和曲线形状变化率下的得分进行求和。

[0138] 在步骤306中，挑选求和后的得分最高的电阻作为最佳反馈电阻。

[0139] 在步骤307中，判断所挑选出来的最佳反馈电阻是否唯一，如果所挑选出来的电阻个数不唯一，则继续挑选最佳反馈电阻中电阻值与候选电阻区间中心位置的电阻值最接近的电阻。

[0140] 在本次实验中，使用本发明的自校准算法的阻抗幅值测量结果如图12所示，阻抗相位的测量结果如图13所示。增益系数校准方法和本发明的自校准算法的阻抗幅值测量结果对比图如图14所示，可以看出在增益系数校准方法在测量过程中出现了记录溢出现象导致测量回来的曲线不连续，如图上的曲线在1、2点之间，3、4点之间，5、6点之间以及7、8点之间不连续，相比之下，本发明的自校准算法测量回来的数据的连续性比较好，不会出现记录溢出的现象。此外，对比两种方法所测量得到的阻抗幅值数据与精确数据之间的相对误差，对比结果如图15所示，可见本发明的自校准算法在阻抗幅值的精度上进一步得到提高，并且本发明的方法可以返回阻抗相位数据，有利于后续在结构健康监测领域中基于阻抗幅值和阻抗相位进行损伤监测。

[0141] 本发明实施例在挑选测量数据的时候综合考虑了阻抗幅值和阻抗相位的相对变化，所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。

[0142] 相比增益系数校准方法所测量得到的数据，本发明基于对所有测量得到的数据进行遍历计算与分析所挑选出来的测量数据在阻抗幅值和阻抗相位的精度上均有所提高。

[0143] 进一步，本发明所挑选的校准效果最好的测量数据是一组完整的测量数据，不会在个别频率点上出现记录溢出的现象，可以保证所得到的测量数据为连续的数据。

[0144] 实施例3

[0145] 如图16所示，是本发明实施例的改进的微型阻抗测量自校准装置的架构示意图。本实施例的改进的微型阻抗测量自校准装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图16中以一个处理器21为例。

[0146] 处理器21和存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图16中以通过总线连接为例。

[0147] 存储器22作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序和非易失性计算机可执行程序，如实施例1中的改进的微型阻抗测量自校准方法。处理器21通过运行存储在存储器22中的非易失性软件程序和指令，从而执行改进的微型阻抗测量自校准方法。

[0148] 存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器22可选包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器21。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

[0149] 所述程序指令/模块存储在所述存储器22中，当被所述一个或者多个处理器21执行时，执行上述实施例1中的改进的微型阻抗测量自校准方法，例如，执行以上描述的图1‑图3所示的各个步骤。

[0150] 值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

[0151] 本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁盘或光盘等。

[0152] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。