磁致伸缩液位计（精选五篇）
磁致伸缩液位计 篇1
随着科学技术的迅猛发展, 高新技术在各行业中得到了广泛的应用, 高科技含量的磁致伸缩液位传感器, 应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点。因此, 广泛应用于石油、化工等液位测量领域, 并逐渐取代了其它传统的传感器, 成为液位测量中的精品。
我公司新建项目二硫化碳储罐, 液位的测量由磁致伸缩液位计实现,
二、工作原理
磁致伸缩式液位计是采用磁致伸缩原理设计的。其工作原理是:在一非磁性传感管内装有一根磁致伸缩线, 在磁致伸缩线一端装有一个压磁传感器, 该压磁传感器每秒发出10个电流脉冲信号给磁致伸缩线并计时, 该电流脉冲沿磁致伸缩线向下传送, 产生一个向下运动的环形磁场, 该环形磁场同磁性浮子的磁场产生相互作用, 在磁致伸缩线上产生一个扭应力波, 这个扭应力波以已知的速度从浮子的位置沿磁致伸缩线向两端传送, 直到压磁传感器收到这个扭应力信号为止。压磁传达室感器可测量出起始脉冲和返回扭应力波的时间间隔, 根据时间间隔大小来判断浮子的位置, 由于浮子总是悬浮在液面上, 且磁浮子位置随液面的变化而变化, 即时间间隔大小也就是液面的高低, 然后通过全智能化的电子装置将时间间隔信号转换为与被测液位成比例电流信号输出。
三、特点
1、界面测量:
伸缩液位计可以用于界面测量。磁致伸缩液位计是目前最好的界面测量和控制的技术。用于测量界面时可以适用于比重差最小为0.03S.G., 的情况。常用于油水界面的测量, 在我厂主要是用于二硫化碳与水界面的测量。在20度时, 二硫化碳与水的密度比为:1.261:1。浮子由厂家按此比例特殊制做。
2、过程控制测量:
磁致伸缩液位计广泛用于过程容器液位监测。高精度和免维修是我们选择这种技术的两大因素。工作时耐温427℃耐压207bar, 因此适用于几乎所有的过程控制应用, FF现场总线, HART或Honeywell DE通迅协议选项可使其方便地与上位系统进行数字通迅。
3、替代浮筒液位计:
大多数的扭力管式的浮筒液位计变送器在过程应用中都重复出现以下问题:介质比重变化导致输出偏差较大等。磁致伸缩液位计可直接配带外浮筒组成一套完整测量装置, 也可以插入现有外浮筒中进行液位计测量并能很好的解决上述问题, 同时在测量中可实现精度的较大提高。因此测量方式也是扭力管式浮筒液位计的理想替代品。
4、应用领域:
液态储罐的过程控制、就地和远程储罐控制、燃油原油和溶液、各种化学试剂、水及污水处理和洪水控制等领域都有应用。
5、其它:
高精度, 高稳定性, 高可靠性, 使用寿命长, 安装方便。连续可调, 且调整量很大。且上下液面是独立感应开关动作, 准确可靠。
四、选型设计
现以K-TEK产品AT100型磁致伸缩液位计为例, 根据我厂介质二硫化碳与现场环境情况确定, 选型如下:
1、传感器探杆材质为316L不锈钢, 变送器壳体材质为双腔铝外壳。
2、探杆的类型:标准的刚性探杆, 5/8"外径, 长度提供法兰面到罐底的长度。
3、变送器:标准现场一体化变送器带有观察窗, 并有液晶显示, 一个液位输出。
4、过程温度:最高77度, 变送器顶部与储罐孔相距8"/20cm
5、浮子类型:根据介质制作特殊浮子
6、控杆长度:探杆长度=法兰面?-底部死区范围, 最小是2.5"
五、安装
DN100法兰安装, 过程连接为NPT3/4", 使安装简单并能节省安装成本, 性能更可靠如罐高超过3米, 做底部固定支架支架, 以固定探杆, 使测量更准确。
六、如何实现液位显示, 高低液位报警功能
磁致伸缩液位计的二次仪表采用标准输出信号, 便于微机对信号进行处理, 容易实现联网工作, 提高整个测量系统的自动化程度。进入二次仪表, 由二次仪表进声光报警器实现。
七、其它测量方式介绍
采用人工爬罐, 投尺进行测量。用带有重锤的米制钢带卷尺或带有刻度的标尺计量, 手工记录读数, 人工查表换算, 最后得到数据。这种测量方法不仅劳动强度大, 同时存在不安全因素, 也无法保证精度。个别地方有用电容式/扩散硅压力式液位计测量, 由于这类传感器零漂移严重, 测量偏差大, 长期工作稳定性差。采用等压式皮膜液位计或机械式浮子液位计。但因皮膜式液位计受温度影响大, 且存在漏气问题, 机械浮子液位计又经常出现钢带卡死现象
八、注意事项
传感器的屏蔽电缆线必须避开大功率电源, 射频信号源和其它有噪声的传输线等。电缆的屏蔽线必须完好无断线, 并接到二次仪表地端:不要将屏蔽线接到传感器的任何部分, 也不要将传感器的螺钉与地或其它电接点连接。对特殊应用, 可以加接瞬态抑制器或滤波器等。
磁致伸缩线性位移传感器的电压、电流、速度模拟输出信号都可通过反向开关使其零点和满量程的位置对调。当为标准方式时, 零点位于传感器的上端, 满量程位于传感器的末端;当为反向方式时, 零点和满量位置相反, 这种功能通过将橙色线的不同接法得以实现。标准方式接线:直接将橙色线接到电源正端红色线上或将其不接包好。反向方式接线:直接将橙色线接到电源负端黑色线上。
摘要：磁致伸缩液位计在我公司液位控制中的应用。
关键词：磁致伸缩液位计,界面测量,防爆区,二硫化碳
参考文献
海浪发电的秘密—磁致伸缩 篇2
不过，利用海浪能源发电的创意却没有因此消失。最近，总部位于西雅图的振荡电力公司（Oscilla Power）再一次进行科学研究，试图找到之前海浪发电失败的原因。
振荡电力公司的CEO 拉胡尔·森德尔认为， 海浪发电从前失败的原因主要是研发人员大多不熟悉大海的缘故，并试图将发电设备设计成能在海洋里使用，而制成的设备结构复杂，无法抵御严苛的海浪环境，而且十分容易腐蚀，所以导致了最终的失败。拉胡尔·森德尔表示，他们对海浪发电设备进行了全新的设计。
磁致伸缩发电的原理
Oscilla Power 电力公司制造的设备采用磁致伸缩原理来发电，这项原理目前还没有被广泛采用。而磁致伸缩的原理，就是让铁磁材料（例如铁材料，容易被磁化）在磁场中稍微改变形状。由于磁致伸缩材料在磁场作用下，其长度发生变化，可发生位移而做功或在交变磁场作用可发生反复伸张与缩短，从而产生振动或声波，这种材料可将电磁能转换成机械能或声能，相反地这种转换现象也可以产生合金材料的流量变化，与电磁感应相结合形成高载低位移的电流，以及机械载荷的变化。
在过去几十年中的海浪发电领域中，小型的促动器、传感器和换能器主要使用更精细的合金棒， 这些都是由一些稀有合金，比如铽镝铁和铁镓合金所制成，尤其在发电过程中成本更是高得离谱。而在早期的磁致伸缩应用中多使用铁铝合金，而在后期的常规稀有合金使用中并没有引起足够的重视，被排除在外。MWEH（磁致伸缩电能采集技术）的原材料组合里，不需要大量的稀有金属或是昂贵材料。其中关键的材料主要有铝、铁、铜和钢。而混凝土和玻璃强化塑料也同样是重要的组成材料。特别的是，原来用于形成磁动势的少量稀有磁铁，如今也可以由成本铁氧体替代。
铝铁合金棒
而最新的磁致伸缩发电的核心技术就是利用铝铁合金棒，铝铁合金具有很强的铁磁性。这种铝铁合金棒只要压缩千分之一就能达到预期效果。这意味着在完全达到目的的前提下，Oscilla Power 公司设计的发电机内部没有任何容易出错的活动部件。要压缩一根小尺寸实心金属棒，需要巨大的力量；幸运的是，海浪完全具有这种力量。Oscilla Power（ 振荡） 公司的设计，就如同其公司名称那样，依靠振荡来发电。
振荡发电机有两个大部件组成，这两个大部件被缆绳连接在一起。在缆绳的一端，振荡发电机漂浮在水面上，在浮标内有发电用的合金棒、磁体、线圈和多套挤压合金棒的液压油缸；在缆绳的另一端，吊着一个垂荡板结构，垂荡板在惯性和周围海水的拖动下，能保持浮标的稳定。这种结构让浮标在海面随着海浪上下起伏，而垂荡板却大概保持在原来位置，将拉力施加给缆绳。由于拉力的变化，缆绳带动液压油缸运转。整套系统由第二套系在海床上的缆绳固定在特定位置上。
全波段的振荡发电机是一套填满泡沫的钢制浮标，直径27 米、6 米高、重达1000 吨，系在一个环形混泥土垂荡板上，位于距水面70 米的水中。该浮标内配置了12 台磁致伸缩发电机。拉胡尔·森德尔表示，只要将单个浮标放置离海岸几公里外的位置，就能产生平均600 千瓦电量，相当于一台陆地风力发电机。去年，一台直径4 米的原型浮标通过在美国的大西洋海岸的开阔海域成功地进行了测试。MWEH 发电的动力输出过程所需的所有零部件，全部是经得起检验的低成本和高容量。另外，海中的浮标和铁锚都没有复杂的部件，所以它们同样都是低成本的零件生产。
无需活动零件
采用MWEH 技术，发电系统无需依靠零部件之间的相对运动或是尺寸变化产生电流，因此就减少了零部件系统（轴承、润滑、密封）的成本，以及免除了阶段性零部件的运动和维修成本。另外，MWEH 的发电设备运输，从岸边的装运到拖拉的过程都非常方便，而普通船只无需特制特殊的装置运输发电设备，只需将设备放置在甲板上即可。
高效能海浪发电
实质上，MWEH 技术是在共振频率下实现发电，不需要像其他海浪发电那样，在规定数字或虚设的标准下强制降低效率。而MWEH 的技术意味着它能够作为宽频带设备，享有相同数值的发电机容量，可以产生更加准确的均值电能。浮标在不同振幅下移动能够产生均值，这也是其他海浪发电技术所无法达到的。
IMEC 专利技术平台
专利认证的IMEC 技术平台，包括了合金预压缩和闭环磁通路径的一些关键特点，应用了低成本的铁铝合金，通过传统的金属铸造技术，获得发电系统所需的标准。通过发电机中小部分的永磁阻获得强力的磁动势。发电机将张力的变化转化为铁铝合金棒的磁导率的变化，形成磁路中磁通密度的变化。
理想的海浪电能采集
为了使海浪发电的成本能够与煤炭和天然气发电同等竞争， 并且在无需补贴的情况下， 海浪发电技术需要达到以下标准：
1. 在大范围的磁场内，将海浪能源转化为高效电能。实际上，能量的转化需要以高效低成本的优化方式或是不依赖窄带共振的方式完成。
2. 在一个既定的波动状态下，能够获得全波普频率的能量。
3. 拥有较高的可靠度、低运营和维护成本。实际操作中，能够最小化或是极大减少使用活动零件。
4. 低投资成本。实际中，这意味着降低了结构质量与有效质量比，消除了昂贵材料的使用，易于制造与安装。
拉胡尔·森德尔承认振荡发电机的建造和安装费用十分昂贵；但振荡发电机的设计简单，只要稍作维护，就能运行几十年。拉胡尔·森德尔预计振荡发电机的发电成本为每度电10 美分，与之相比，陆地风力发电机的成本为每度电16 美分，海上风力发电成本为6 美分每度电。使用化石燃料并并网的火电站的成本仍然比这些可再生能源电站低，不到5 美分。然而，10 美分代表了一种新型发电技术的良好开端。
磁致伸缩液位计 篇3
笔者在参考国外先进产品的基础上,研制出磁致伸缩液位计整机,主要由磁致伸缩波导丝、信号发生与拾取、电源、人机界面及通信等部分组成,其中信号发生与拾取是最关键的部分,其性能直接决定测量的准确度与量程。在此将重点介绍扭转波的机-电信号转换方法,同时给出一种对扭转波信号具有自适应能力的信号调理电路。
1 工作原理
磁致伸缩液位计(图1)由浮球、探杆和电子部件3部分组成,浮球内含磁钢;探杆内中空,管内绷紧一根磁致伸缩波导丝,当液位变化时浮球带着磁钢沿探杆上下移动,测得浮球位置即可获知液位。其测量过程如图2所示,CPU控制激励电路间歇性地向波导丝发生一个激励电流脉冲,同时启动计时;激励电流沿波导丝产生一个环形磁场Hc,当环形磁场Hc与浮球磁场Hi叠加时,由于磁致伸缩效应,波导丝上产生一个扭转波,扭转波从浮球位置向波导丝两端传播;当机-电信号转换单元接收到返回的扭转波信号时,CPU停止计时,获得一个时间T,将时间T乘以扭转波的波速V即可测得浮球距离机-电信号转换单元的距离。
对浮子位置的测量实质上是对时间T的测量。扭转波在波导丝中的传播速度约为3km/s,当前电子技术条件下,高分辨率的测量时间是较易实现的。根据声学原理,超声波在波导丝中的传播速度,其中G为磁致伸缩波导丝的弹性模量,ρ为磁致伸缩波导丝的密度,这两个参量与外部环境条件无关,因此扭转波的传播速度是一个常数。浮子与电子仓的距离S=V×T=。
2 扭转波的机-电信号转换
扭转波的拾取是磁致伸缩液位变送器的关键技术之一。扭转波属机械波,因此拾取扭转波的元件就是将机械能变换为电信号,目前有两种方法:一种基于逆磁致伸缩效应,一种基于压电陶瓷。
传统方法是基于逆磁致伸缩效应的扭转波拾取方法,其扭转波拾取单元如图3所示。在波导丝靠近电子仓的部分焊接有磁致伸缩金属片(图3只给出了其中的一半,另一半为完全对称结构),当扭转波沿波导丝返回到拾取单元,引起磁致伸缩金属片变形,根据逆磁致伸缩效应,即当材料受到外力时材料的磁化状态也随之改变,在偏置磁场作用下,线圈会检测到磁通量的变化,产生一个脉冲电压。这种方法有两个明显的不足:零件数目多,零件位置关系要精密配合,制造成本高;工艺复杂,绕制微型线圈繁琐,不易实现规模化生产,而且无法保证其一致性。
该设计方案中,笔者选用基于压电效应的扭转波拾取方法。压电陶瓷是一种应用极广的换能器材料,极化后的压电材料受外力形变会产生电压,即压电效应。利用压电效应可以把接收到的机械扭转波转换为电信号。常用的压电材料包括压电单晶体、多晶的压电陶瓷、压电高聚物及压电复合材料等。其中,锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)具有机械强度高、耐温、耐湿、成本低及机电耦合效果好等优点,该设计方案即选用锆钛酸铅压电陶瓷作为换能器件,原因是:居里温度尽可能高,因为压电陶瓷需要与波导丝接触,而整个探杆浸没在介质中,波导丝有很好的导热性,这样可能将压电陶瓷工作温度升高;压电电压常数尽可能大,保证在微弱扭转条件下,能够产生足够的电压信号;机电耦合系数高,保证信号转换效率高。最终,该方案选定P51系列的压电陶瓷片作为机-电转换材料,其参数见表1。
该方案采用杠杆结构形式的机-电转换单元,将波导丝的圆周扭转变换成直线方向形变,如图4所示。这样,就减少了零件数量,其工艺步骤也得以简化。压电陶瓷片为厚度方向敏感,两片压电陶瓷必须同极性方向布置,构成差动信号输出。杠杆把扭转形变放大,然后在两片压电陶瓷上产生电荷,完成机-电信号转换。
3 信号调理电路
信号调理电路(图5)是整个信号前端处理的关键部分。机-电信号转换单元将扭转波转换成一个几十微伏的电压脉冲信号,而扭转波传播时间T必须通过一套信号调理电路才能完整获得。MCU控制激励电流发生器发生一个脉冲激励电流(脉冲宽度10μs),电流沿波导丝传播,同时MCU开始计时;激励电流在波导丝上产生一个环形磁场,环形磁场与浮球磁钢的磁场相遇的瞬间,由于磁致伸缩效应,波导丝在浮球的位置处产生一个扭转波,扭转波沿波导丝向机-电转换单元传播;机-电转换单元的压电陶瓷把扭转波转换成几百微伏的电压信号(脉冲),经差动放大器放大到伏级,然后高通滤波去除直流分量,进入比较器;比较器一方面接收电压脉冲信号,与数模转换器的值进行比较,如果电压脉冲信号幅度足够大,比较器输出的电平逻辑翻转,促使MCU停止计时,此时MCU获得扭转波从浮球位置传播到机-电转换单元的时间T。整个信号调理关键点波形如图6所示,示波器监测到的放大后的扭转波信号如图7所示。
由前述可知,扭转波产生于浮球磁钢的位置,在波导丝上传播到机-电转换单元才被转换为电压脉冲信号。工业过程的液位测量范围在5～6m,而大型油库储罐量程可达22m,这意味着浮球在长达22m的范围内任意移动,信号调理电路必须能有效识别出扭转波所对应的电压脉冲信号。由于扭转波的本质是一种机械振动,机械振动在波导丝的传播是必然存在衰减的。实验也表明,同样一套试验样机,浮球距离5m远时获得的扭转波对应的电压脉冲信号Vpp=1V,浮球1m远时扭转波对应的电压脉冲信号Vpp=3V,可见扭转波传播的路径越远,最后的衰减越大。如果扭转波信号衰减到一定程度,其幅度一旦低于比较器的门槛值,则比较器不会翻转,整个信号调理电路无法获得扭转波的传播时间。为此,笔者设计了如图8所示的自适应电路解决了这个问题。
比较器的门槛电压实时调整,以适应扭转波脉冲幅度的变化。因此在电路设计上,利用单片机控制一个数-模转换器,数模转换器输出的电压作为比较器的门槛值。同时在单片机程序中做判断,一旦发现本次激励电流发出后,单片机在规定时间内未收到比较器翻转信号,则单片机主动将数模转换器的输出值降低一个档位,以适应扭转波幅度的变小。这样,即使浮球远离机-电转换单元,扭转波幅度明显降低,信号调理电路仍然能够有效捕获扭转波对应的电压脉冲信号。
4 结束语
磁致伸缩液位计 篇4
随着计算机科学技术的发展, 人们对测量系统的测量精度以及稳定性提出了新的更高的要求。对于精确测量来说, 测量仪器的精度直接影响试验器测量的精度,对于高精度测量仪器来说, 更应该消除外界的干扰对它的影响。
磁致伸缩液位传感器是一种应用极其广泛的高精度液位传感器, 其精度可以达到1‰。但是传感器在实际使用时, 往往会因为测量的液体介质的温度变化而产生较大的误差,严重影响了传感器测量的精度以及稳定性,因此有必要对传感器受到温度变化而产生的影响进行分析, 并提出温度补偿的方法[1,2]。
2 传感器工作及温度对其测量产生的影响
2.1 磁致伸缩液位传感器工作原理
磁致伸缩液位传感器的工作原理如图1 所示。传感器是根据磁致伸缩原理而设计的, 其主要阻尼器、磁环、波导丝、波导管、以及发射、接收和处理脉冲信号对的电子装置组成[3]。
传感工作时, 首先由电子装置发射一个激励脉冲信号, 脉冲信号沿着波导管内的波导丝以光速传播, 当脉冲信号行程的环形磁场与磁环的磁场相遇时会因磁场扭曲而产生一个扭曲脉冲。此扭曲脉冲同时向两端传播,向传感器底端传播的脉冲会被阻尼器削弱并吸收, 向传感器顶端传播的脉冲会被电子装置的接收器接收。通过计算脉冲返回的时间即可得到磁环的实际位置, 这便是磁致伸缩液位传感器的工作原理[4]。
2.2 温度对磁致伸缩液位传感器测量的影响
当传感器工作于温差较大的环境中时, 不可以忽略温度对传感器测量精度的影响。温度变化造成传感器产生误差的原因主要有如下三点:
(1) 温度变化会对传感器内部影响传感器稳定性的晶振产生影响。晶振会随着温度漂移而产生误差。
(2) 温度变化会对磁场扭曲后的扭曲脉冲传播速度产生影响, 从而影响传感器精度。
(3) 温度变化会对测量的液体介质密度产生影响, 因而改变传感器磁环浮子浸入液体介质中的体积, 浸入体积不同, 传感器示数亦不同, 因此对于测量温度变化较大的液体介质时, 传感器的误差可能不能够满足系统精度要求。
为减小温度对液体介质密度影响产生的误差可以在初期选择液位传感器时选择浮子密度相对较小的浮子,或是通过减小球形浮子的半径来减小液体介质密度随温度变化而带来的误差, 但是对于传感器已经安装好的系统不适用, 并且该种方法的效果有限, 不能完全地较好地消除误差。
因此需要使用一种智能温度补偿算法以消除温度变化对传感器精度产生的影响[5]。
3 基于蚁群聚类算法的RBF神经网络
3.1 RBF神经网络
RBF神经网络结构如图2 所示。RBF神经网络的中心思想为: 隐含层是通过由径向基函数构成的隐含层单元而组成, 这样输入量可以不通过连接权值而直接映射到隐含层。
与BP神经网络一般有多个隐含层不同的是,RBF只有一个隐含层, 隐含层基函数通常为高斯型的径向基函数。
3.2 蚁群聚类算法
人们受到蚁群觅食行为启示而发明了蚁群算法, 在觅食过程中, 蚂蚁会在经过地方留下信息素, 蚁群中的蚂蚁会根据各条路径信息素的浓度不同而选择不同的路径, 通常蚁群会选择信息素浓度大的路径。在单位时间内, 路径越短, 经过的蚂蚁越多, 留下的信息素越多,这样后来就会有更多的蚂蚁通过这条路径。
对于样本数量较大的数据处理过程, 传统聚类算法往往因为速度慢以及容易陷入局部最小等问题而得到期望结果。
把数据比作蚁群中不同的蚂蚁个体, 把聚类中心比作蚁群移动的目标, 即食物, 这样就把聚类分析过程比作了蚁群寻找食物的过程。这便是蚁群算法聚类分析的中心思想, 具体聚类过程如下:
(1) 对样本个数N、样本属性m、聚类半径r以及允许误差 ε0等基本参数进行初始化;
(2) 确定任意两个样本的距离:
(3) 对路径上的信息素进行初始化;
(4) 计算从xi到xj的概率Pij, 若概率Pij不小于初始设定值P0,那么xi与xj属于一类,否则xi与xj分成两类,概率Pij计算方法为:
(5) 对可以与xj分成一类的中心进行计算, 总体误差为:
如果误差 ε 大于允许误差 ε0, 那么继续分类计算,如果误差满足设定的要求, 即 ε<ε0则停止分类计算。
(6) 对信息素挥发系数进行计算。
(7) 对步骤(4) 到步骤(6) 进行重复, 直到误差满足设定值既可以完成K各聚类数和聚类中心的计算。
3.3 调整RBF神经网络隐层结构
使用蚁群算法对输入样本数据进行聚类计算。RBF神经网络隐含层的中心值使用上述计算得到的聚类中心。使用裁减方法对网络结构进行简化, 方法如下:
(1) 计算隐含层输出;
(2) 对隐含层输出值进行规范化处理;
(3) 如果对于隐含层输入和输出, 关系式rkn<δ 连续满足M次, 那么将此隐含层单元删除, 并将隐含层单元数减小1 个;
(4) 通常使用伪逆算法调节, 第K个隐含层到输出层的权值[6,7,8]。
3.4 基于蚁群算法的RBF神经网络算法实现步骤
(1) 使用蚁群算法对输入样本数据进行聚类计算。RBF神经网络隐含层的中心值使用上述计算得到的聚类中心。
(2) 隐含层到输出层的权值通常使用伪逆算法进行调节。
(3) 计算各个隐含层单元的输出, 并计算其对网络输出的贡献量。
(4) 对网络结构进行简化, 但要求误差控制在允许误差范围内[9]。
4 传感器温度补偿方法的实现
4.1 温度补偿方法原理
传感器温度补偿原理如图3 所示。传感器检测到的液位值同时受到实际液位值和温度共同影响, 因此温度补偿系统输入为补偿前液位高度值和当前温度值, 通过使用基于蚁群聚类算法的RBF神经网络作为温度补偿系统, 最后输出为补偿后的液位高度。
温度补偿系统流程如图4 所示。通过上述研究的蚁群优化算法对RBF神经网络的网络权值进行优化, 建立参数最优的RBF神经网络。使用不同温度条件下的传感器训练数据对RBF神经网络进行网络训练, 最后使用使用不同温度条件下的传感器测试数据对所建立的基于RBF神经网络的温度补偿系统进行测试, 即完成温度补偿系统的建立。
4.2 实验数据处理
以康宇通达测控仪表公司的M E T R I K E M P型磁致伸缩液位传感器作为研究对象, 传感器范围0~400mm, 测量介质由DC 24V供电。将传感器至于20~70℃的液体介质中进行实验, 得到温度补偿前的实验数据如表1 所示。
各个温度下传感器误差如图5 所示。
对数据进行标准化处理以消除不同量纲对数据计算处理带来的不变,处理后的数据均属于[0.0,0.95]范围内[10]。
4.3 温度补偿实验及补偿效果
通过基于蚁群算法的RBF神经网络对温度补偿前的实验测量样本数据进行计算分析从而得到磁致伸缩液位传感器的温度补偿系统。温度补偿系统的参数设置如下: 允许误差 ε0=0.005, 聚类半径r=0.5,e=0.01,样本属性m=5, 参考概率P0=0.6, 发挥系数最小值ρmin=0.2, 信息素强度Q=10, 通过对使用了温度补偿系统后的传感器测量系统进行实验研究。
为了比较基于蚁群聚类算法的RBF神经网络在温度补偿系统中使用的优势, 将其与使用了BP神经网络和RBF神经网络的温度补偿系统进行比较, 得到了三种补偿系统的实验数据如表2 所示, 数据是在70℃时测量的。
为了衡量比较各个算法对磁致伸缩液位传感器温度补偿效果, 使用相对误差作为比较标准:
式中: hc为补偿后传感器测量值。
通过对比数据发现, 使用了三种温度补偿算法后,传感器受到温度的影响被大大削弱, 在一定程度上达到了温度补偿的目的和效果。比较三种算法的优劣可以看出, 使用了基于BP神经网络进行温补补偿后, 其最大相对误差为2.73%, 平均相对误差为2.47%。使用了基于RBF神经网络进行温补补偿后, 其最大相对误差为1.70%, 平均相对误差为1.42%。而本文提出的基于蚁群聚类算法的RBF神经网络进行温补补偿后, 其最大相对误差为0.85%, 平均相对误差仅为0.72%, 相对误差均小于其他两种算法。, 因此使用基于蚁群聚类算法的RBF神经网络进行温度补偿优势更加明显。
5 结束语
对于精确测量的试验器来说, 测量仪器的精度直接影响试验器测量的精度, 对于高精度测量仪器来说, 更应该消除外界的干扰对它的影响。本文提出一种基于改进型RBF神经网络的磁致伸缩液位传感器温度补偿系统, 通过对比实验验证温度补偿系统的补偿效果, 相比于传统的RBF神经网络和BP神经网络, 基于蚁群算法的RBF神经网络的温度补偿系统具有优良的温度补偿能力, 其具有更小的误差和更高的精度。
摘要：本文是以用于高精度测量的磁致伸缩液位传感器为研究对象,通过该种传感器的工作原理,分析了滑油温度的变化对传感器测量精度的影响,并提出了一种基于蚁群聚类算法的RBF神经网络系统对传感器进行温度补偿的方法。该系统使用蚁群算法对输入样本数据进行聚类计算。隐含层到输出层的权值通常使用伪逆算法进行调节。计算各个隐含层单元的输出,并计算其对网络输出的贡献量。通过裁剪法对网络结构进行简化,但要求误差控制在允许误差范围内。
关键词：磁致伸缩液位传感器,RBF神经网络,蚁群聚类算法,温度补偿,BP神经网络
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磁致伸缩超声导波激励电路设计 篇5
本文基于直接数字频率合成 (direct digital synthesis, DDS) 技术, 利用FPGA、高速DA、集成运算放大器等设计了专门用于激励超声导波的窄带脉冲谐振激励电路, 该电路可实现汉宁 (Hanning) 窗的宽度, 单频信号频率及汉宁窗脉冲的时间间隔可调, 提供了一种用于激励超声导波信号的方法。
1 激励电路总体设计
在超声导波检测中, 一般选用汉宁窗调制单频的窄带脉冲信号作为激励信号, 其函数形式为:
其中, f为单频信号的频率, n为汉宁窗调制的单频信号的周期数。
总体设计如图1所示, 按键用于设置汉宁窗宽度 (调制单频信号的周期数) 、单频信号的频率及汉宁窗脉冲的时间间隔;在FPGA中利用DDS技术实现汉宁窗调制的单频信号算法, 高速DA将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号;由DA输出的信号经差分/单端转换、低通滤波、中间放大、功率放大, 最终用于超声导波信号的激励。
2 硬件电路设计
磁致伸缩超声导波激励电路实现了导波激励源信号的控制与功率放大, 主要由FPGA与DA接口电路、差分转单端电路、低通滤波电路、中间放大电路、功率放大电路五部分构成。
2.1 FPGA与高速DA的接口电路
系统采用Altera公司资源丰富、成本低廉的Cyclone系列FPGA作为核心芯片, 其型号为EP1C3T144C8N, 它含有2 910个LEs、13个M4K存储器块、1个PLL、104个可用IO引脚。由于超声导波激励信号的频率范围选定在100~1 000 k Hz之间, 根据采样定理, 高速DA输出的转换时钟频率至少要为信号频率的2倍, 为了得到较为平滑的信号波形, 其取值在10倍的信号频率以上。数模转换器件选用美国TI公司推出的DAC902器件, 它具有165MSPS的更新速率, 12 bit分辨率, 且有较高的信噪比, 非常适用于超声导波激励信号的生成。采用20 MHz晶振作为系统时钟, 图2为FPGA与DAC902连接的电路图。
2.2 差分/单端转换电路
由于高速DA为互补差分输出, 而末端功率放大为单端输入, 所以必须对DA的输出做差分到单端的转换。选用美国ADI公司推出的AD830高速差分运放, 它具有差分输入、高输入阻抗、宽频带、高共模抑制比。图3为AD830差分转单端电路图。
2.3 低通滤波电路
数模转换器 (DA) 的输出实际上就是一个阶梯波, 和连续的模拟信号相比是存在量化噪声的, DA的输出信号一般不可直接用于对噪声敏感的模拟放大电路, 信号需经过滤波调理后再用作后级放大的输入。选用性能较好、成本低廉的NE5532构成截止频率为1 MHz的四阶巴特沃斯有源低通滤波电路。
2.4 中间放大电路
在模拟放大电路中, 由于运放的带宽、压摆率及稳定性等限制, 通常只通过一级放大是无法实现实际需求, 需采用多级放大。中间放大电路一般是增益可调的, 由于AD817具有宽频带、高压摆率的特性, 可很好地用于实现可调增益中间放大电路。
2.5 功率放大电路
系统的最后一级电路实现固定增益的功率放大, 由于磁致伸缩超声导波激励电路的负载为感性负载, 故要求功率放大电路具有较大的驱动能力;感性负载还会产生瞬态高压, 需对功率放大电路的输出端作保护。美国ADI公司推出的ADA4870高速、高低压、大电流驱动放大器, 具有10~40 V供电范围、2500 V/μs的压摆率、1 A的输出驱动电流, 能够驱动高容性和低阻性负载。选用ADA4870用作5倍固定增益的功率驱动器, 并通过二极管将其输出端连接到正负电源轨进行高压保护。图4为5倍固定增益功率放大电路。
3 系统软件设计
3.1 DDS工作原理
DDS是一种直接数字频率合成方法, 它从相位量化的概念出发进行频率合成。DDS的基本原理如图5所示, 它由相位累加器、正弦查询表、数模转换器和低通滤波器等部分组成。fout为输出频率, N为二进制加法器的位数, 在参考时钟fc和频率控制字K的作用下, 相位累加器进行加法操作, 累加器的输出对正弦查询表进行寻址, 输出波形编码, 然后通过数模转换得到数字形式的正弦波形, 经过低通滤波便可得到正弦波形[5]。
3.2 汉宁窗调制单频窄带脉冲信号的产生
在FPGA中基于公式K=2N·fout/fc实现两路DDS信号, 一路作为汉宁窗信号, 另一路作为单频信号。两路信号再经过乘法器做调制, 实现汉宁窗调制的单频窄脉冲信号。
通过按键设置汉宁窗信号调制单频信号的周期数、单频信号的频率及汉宁窗脉冲的时间间隔。
4 实验结果
图6显示了设计电路产生的激励信号的波形, 从图中可以看出, 激励信号为单频信号频率为100 k Hz, 汉宁窗调制20个周期峰峰值约为23 V。实验表明设计合理, 波形的产生满足设计要求, 生成了正确的完整的所需信号, 此窄带脉冲激励信号可方便地应用于磁致伸缩超声导波的激励。
5 结论
利用FPGA、数模转换器、运算放大器等器件, 设计了一种磁致伸缩超声导波检测系统的激励电路, 此电路具有单频信号的频率、汉宁窗宽度、汉宁窗脉冲的时间间隔均可调的功能。电路产生的单频窄带脉冲激励信号经过了功率放大, 可直接用于磁致伸缩导波检测激励探头, 激发出的超声导波可在一定程度上减小超声导波在构件中传播的频散现象, 提高检测的精度和效率。与专用超声导波的激励仪器相比, 可节约大量的成本, 减小检测设备的体积, 便于超声导波检测系统的集成化、小型化、产品化。
参考文献
[1]刘镇清.超声无损检测中的导波技术[J].无损检测, 1999, 21 (8) :367-369.
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