一种湿度传感校准方法及系统与流程

本发明涉及湿度测量校准，具体为一种湿度传感校准方法及系统。

背景技术：

1、气象自动监测仪中的微机械湿度传感器在实际使用中，输出信号极易受环境温度波动和自身电容基准漂移的耦合影响。温度变化通过热传递导致传感器敏感单元的湿度响应产生迟滞，使得湿度测量值与真实环境湿度间出现动态偏差。现有技术中，针对该问题多采用基于固定系数的温度补偿方法，即预先测定温度-湿度修正曲线，实时检测环境温度后代入公式计算补偿量。这种方式忽略了温度变化与湿度响应之间的时域不同步现象，在温度快速波动时，补偿时刻与响应时刻错位，反而引入额外误差。部分方案加入参考电容检测以校正传感器漂移，但通常仅将参考电容作为静态基准进行比值运算，未考虑电容波动幅度与湿度响应幅度之间的动态映射关系，当传感器受污染或老化导致灵敏度非线性变化时，静态归一化无法准确追踪响应幅值的真实偏移。此外，温湿度交叉效应下传感器输出的差异信号表现为多个时间尺度的复杂模态叠加，传统依靠单尺度滤波或统计特征提取的方式难以分离出干扰主导分量，容易将有用信号的一部分一并去除或保留残余干扰，使校准后的湿度值出现波动复原或精度倒退的现象。上述不足的根本原因在于，缺乏能够同步解决时域配准、幅值动态归一化以及多尺度干扰模态精准抽取与重构的手段。

技术实现思路

1、提供一种湿度传感校准方法及系统，用以克服微机械湿度传感器在气象监测中因温湿度时域失配、电容基准漂移及多模态干扰混叠造成的校准精度不足的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种湿度传感校准方法及系统，用于气象自动监测仪中的微机械传感器。该方法通过融合温度波动和参考电容的同步采集信息，对传感器响应序列进行时域配准与幅值归一化，进而构建响应差异特征向量并进行多模态分解，从中提取能量占优的目标模态分量并重构，利用重构特征与初始序列峰值生成校准偏移因子，实现对传感器输出值的动态补偿，从而有效抑制温湿度交叉敏感和非线性漂移带来的测量误差，提升湿度检测精度和长期稳定性。

3、作为本发明的一个技术方案，获取微机械传感器在当前采集周期内输出的初始响应序列，以及与该初始响应序列同步采集的环境温度波动序列和参考电容值序列。利用环境温度波动序列中的峰值温度时刻和谷值温度时刻，与初始响应序列的峰值响应时刻和谷值响应时刻，计算第一时间偏差和第二时间偏差，由此确定时域配准偏移量，并对初始响应序列进行整体平移，使峰值响应时刻与峰值温度时刻对齐，获得配准响应序列；该时域配准处理消除了温度波动对湿度响应的滞后影响，保证了序列在时间轴上的相关性。

4、优选的，根据参考电容值序列对配准响应序列进行幅值归一化，获得归一化响应序列。具体获取参考电容值序列中的最大电容值和最小电容值并求出电容波动跨度值，同时获取配准响应序列中的最大响应幅值和最小响应幅值并求出响应幅值跨度值，以电容波动跨度值与响应幅值跨度值的比值作为幅值归一化系数，将配准响应序列的每个响应幅值与该系数相乘，得到归一化响应序列。通过幅值归一化，能够有效补偿传感器灵敏度随环境变化而产生的增益波动，使后续分析建立在统一的能量基准之上。

5、随后，将归一化响应序列中每个归一化响应值与初始响应序列中对应时刻的初始响应值相减，获得差异值序列，并计算该差异值序列的均值作为差异均值，计算相邻两个差异值的差值绝对值得到差异波动子序列，由差异均值和差异波动子序列中的各差异波动值共同构建响应差异特征向量；该特征向量集中反映了因温湿度交叉效应和材料老化等因素引起的响应畸变信息。

6、在此基础上，对响应差异特征向量进行模态分解，获得多个本征模态分量。优选的，同时对响应差异特征向量执行经验模态分解、局部均值分解和变分模态分解，得到三组本征模态分量，再通过筛选融合得到一组表征不同尺度波动特性的本征模态分量。这种混合模态分解方式能够更全面地捕捉响应差异中的多尺度瞬时特征，避免单一分解方法可能造成的模态混叠或信息遗漏。

7、计算每个本征模态分量的能量占比，以所有采样点幅值平方和作为分量能量值，以全部本征模态分量的分量能量值总和作为总能量值，将每个分量能量值除以总能量值即得能量占比。将能量占比大于预设能量阈值的本征模态分量作为候选模态分量，并从中选取能量占比最大者作为目标模态分量。通过能量主导筛选，自动锁定最能表征当前传感器偏差状态的核心模态，排除了低能量噪声分量的干扰。

8、对目标模态分量进行重构，获得重构响应特征。可获取目标模态分量中的极值点位置和极值点幅值，并据此将目标模态分量划分为上升段子序列和下降段子序列，分别计算上升段平均幅值和下降段平均幅值，结合极值点幅值构造重构响应特征。该重构过程保留了偏差主模态的时序轮廓和幅值演变规律，为校准偏移因子的生成提供了精确的形状与幅度基准。

9、生成校准偏移因子时，获取初始响应序列的峰值响应值和重构响应特征的峰值重构值，计算两者的比值作为第一比值参数；同时获取重构响应特征中极值点分布的区间长度和初始响应序列中极值点分布的区间长度，计算两者的区间长度差值；根据第一比值参数和区间长度差值生成校准偏移因子。该偏移因子综合了幅度扰动和时间尺度畸变两方面的影响，能够全面反映传感器当前的测量偏离程度。

10、最后，根据校准偏移因子对微机械传感器的当前输出值进行补偿，获得校准后湿度值。获取传感器的当前输出值和灵敏度标称值，将校准偏移因子与灵敏度标称值相乘得到灵敏度调整量，将当前输出值加上灵敏度调整量获得初步补偿值，再结合湿度参考量程边界对初步补偿值进行限幅处理，得到最终的校准后湿度值。由此，本方法能够在复杂环境下自适应调节校准量，并保证输出结果不超出传感器有效量程，显著提高了湿度测量的准确性、抗干扰能力和动态适应性。

11、本发明还提供一种湿度传感校准系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述湿度传感校准方法的步骤。该系统能够在线实时运行上述校准算法，对气象自动监测仪中的微机械传感器进行连续校准，确保长期无人值守条件下的湿度数据质量。

12、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

13、在对初始响应序列进行时域配准时，获取环境温度波动序列中的峰值温度时刻和谷值温度时刻，同时获取初始响应序列中的峰值响应时刻和谷值响应时刻，分别计算峰峰值间的时间偏差和谷谷值间的时间偏差，据此确定时域配准偏移量，并对整个初始响应序列实施整体平移，使得配准后的响应序列的峰谷时刻与温度波动序列的峰谷时刻对齐。这一处理方式直接补偿了因热传导延迟引起的温湿度响应时间差，消除了温度补偿路径中固有的时滞变量，使得后续处理中的温度信息与湿度响应信息在物理时序上严格对应，避免了在温度快速升降过程中出现的湿度测量过冲或滞后残差，提高了瞬态湿度测量的实时性。在进行幅值归一化时，获取参考电容值序列的最大电容值和最小电容值，计算出电容波动跨度值；同时获取配准响应序列的最大响应幅值和最小响应幅值，计算出响应幅值跨度值；取电容波动跨度值与响应幅值跨度值的比值作为幅值归一化系数，将配准响应序列的每个幅值点与该系数相乘。该操作将传感器灵敏度的变化量通过电容基准的实时波动进行动态映射，当传感器长期使用或受污染导致响应增益改变时，归一化系数随之自动调整，使得响应差异特征仅反映湿度测量误差中的非线性扰动成分，排除了灵敏度漂移对差异值的线性干扰，保证了后续模态分解输入序列的纯净度。构建响应差异特征向量时，将归一化响应序列与初始响应序列逐点相减得到差异值序列，再提取差异均值和相邻差异值之差的绝对值，构成包含稳态偏移量和瞬态波动幅度的联合特征。对这种联合特征执行模态分解，能够同时捕获误差中的缓变趋势和快变毛刺，进而通过计算每个本征模态分量的能量占比，选取能量占比大于预设阈值且最大者作为目标模态分量。该目标模态分量对应误差中的主要干扰模式，对目标模态分量进行极值点定位并区分上升段与下降段，分别计算上升段平均幅值、下降段平均幅值，结合极值点幅值构造重构响应特征。这种基于能量筛选和分段形态重构的方式，从多尺度混合干扰中精确抽取出对测量结果影响最显著的非线性扰动波形，生成的校准偏移因子能够自适应跟随环境状态变化，在补偿时仅对主要误差分量加以校正，不对传感器的真实响应动态构成约束，因而在宽温变、高湿变气象条件下，能明显抑制零漂和量程漂移，同时保留原有测量分辨率和响应速度。通过将经验模态分解、局部均值分解和变分模态分解同时作用于响应差异特征向量，得到三组本征模态分量后再进行筛选融合。经验模态分解能够根据信号自身的时间尺度自适应产生模态函数，对非线性非平稳差异信号有良好的匹配性；局部均值分解利用平滑局部均值与包络估计迭代分离模态，对随机噪声不敏感；变分模态分解通过变分优化将信号分解为带宽受限的模态，有效限制模态混叠和虚假分量的产生。三种分解方式从不同的信号表征角度进行联合分解，融合后的本征模态分量既保留了自适应的多尺度特征，又抑制了端点效应和噪声残留，使得从差异特征中分离出的目标模态分量更贴近真实物理干扰模式，重建的重构响应特征波形更完整，最终得到的校准偏移因子在复杂干扰并存的野外气象环境下具备更高的一致性和可靠性。