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基于磁致伸縮傳感器的輥壓機壓下位移監測及誤差補償

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2022-01-10 14:42

  

       輥壓機壓下機構主要由液壓缸推動實現壓下力和壓下量的控制。輥壓機壓下機構位移量實時在線監控是實現輥壓機數控化的重要基礎,也是保證輥壓件質量的基礎。磁致伸縮材料在磁化過程中因外磁場條件改變會發生幾何尺寸的可逆變化,利用這種效應 (磁致伸縮效應) 及其逆效應設計出的絕對位移傳感器-磁致伸縮位移傳感器,可以實現對位移的非接觸式測量。這種傳感器集高精度、非接觸、可靠的穩定性、良好的重復性、高強度的環境適應能力、適中的成本等諸多優點于一身,因此,在諸如石油、化工、水利、航空等許多行業的各種罐儲的液位測量系統中都被廣泛使用。
考慮到輥壓機工作時設備溫度變化范圍大、外界干擾強烈等特點,本文研究了基于磁致伸縮傳感器的輥壓機壓下位移監測及誤差補償方法。
1、基于磁致伸縮位移傳感器的輥壓機壓下位移監測系統
1. 1 磁致伸縮位移傳感器工作原理
       將一個激勵脈沖作用于磁致伸縮位移傳感器波導絲的一端,這時會產生一個環形磁場 H,該環形磁場 H 伴隨著沿波導絲方向向前傳播的脈沖以光速向前傳播。由于滑塊中的永磁體能夠產生縱向磁場,當環形磁場 H 遇到該縱向磁場時,會使波導絲產生扭變,從而產生扭轉波。沿著波導絲的方向,該扭轉波會以不變的速率分別向兩端傳播,向前傳播的最終會被波導絲一端的阻尼原件吸收,而向回傳播的扭轉波會傳到接收帶材上。由磁致伸縮逆效應可知,纏繞著帶材的接收線圈會隨著磁通量的變化而產生感應電動勢,經過調理電路濾波放大處理之后,可以轉換為計時器可以識別的電脈沖,在利用計時器計算發生激勵脈沖和接受脈沖之間的時間差 t 之后,就能夠確定滑塊的位置,進一步就能得到當前被測體的液位。
1. 2 輥壓機壓下位移監測系統
       輥壓機正常工作時,需要多套電液伺服系統進行協同配合工作。主要由液壓泵、電液伺服換向閥、油缸、調平平臺、控制系統、數據采集系統以及各類型傳感器等組成。各類型傳感器主要有安裝于液壓系統中的流量、壓力以及油缸位移傳感器等。通過數據采集卡將各類型傳感器信號采集處理后反饋至控制系統,由控制系統的控制決策得到各個油缸的動作指令,從而實現液壓缸的控制。輥壓機壓下機構的驅動液壓缸動作位移的實時在線監測是保證輥壓件質量的基礎。本文使用高精度磁致伸縮傳感器對輥壓機壓下機構的驅動液壓缸位移進行實時監測。
        當壓下機構動作時,帶動位移傳感器滑塊一同動作。在激勵脈沖通過單片機 ( MCU) 主控制器控制脈沖發生電路產生后,計時電路就會進入工作狀態,波導絲上面會由于激勵脈沖信號遇見活動滑塊(永磁體) 而發生磁致伸縮反應,進而產生扭轉波。由磁致伸縮逆效應可知,接收裝置會將返回的扭轉波轉化為電信號,也就是產生感生電動勢,脈沖信號如果能夠得到信號調理電路有效的處理,就會被發送到計時電路和單片機 (MCU) 中去,這時 MCU會接收到計時電路停止時傳過來的數值。在經過計算之后,MCU 會得到被測液體的準確液位,并將其顯示在 LCD 上,并進一步以 4 ~ 20 mA 和其他通訊方式傳送給上位機或者其他設備。
2、磁致伸縮位移傳感器誤差分析
       輥壓機工作環境常常存在較大的溫度變化以及強烈的電磁干擾。其中磁致伸縮位移傳感器在實際使用過程中,經常會由于受到外界環境干擾而產生較大的測量誤差,根據實際使用經驗,外界環境干擾主要是使用環境溫度的變化以及電磁干擾的影響。
2. 1 溫度對傳感器內部晶振的影響
       根據傳感器的工作原理,測量時的激勵脈沖與返回脈沖的時間決定了滑塊的位置,所以,時鐘晶振能有效影響傳感器的穩定性和測量的精度。但是,晶振會由于被測液位溫度發生較大變化而產生溫度漂移,從而對傳感器測量造成誤差影響。
2. 2 溫度對回波速率的影響
       經過分析得出,波導材料的密度、應力、彈性模量等參數均對回波速率有影響,一旦溫度產生變化,這些參數也會發生顯著的變化。所以,只有在恒溫或溫度變化不大的測量場合,才能使用上述波速率公式。
磁致伸縮位移傳感器
2. 3 外界電磁干擾對傳感器測量精度的影響
      在當今電子技術高速發展的情況下,憑借著極好的控制性能、驅動能力以及節能特性等優勢,變頻器被廣泛應用于工業控制方面。變頻器很容易被外界電器影響,因為其核心是許多不同的電子元件和芯片。因此,要防止變頻器在實際使用過程中受到外界電氣的干擾。同時,由于變頻器的輸入電壓、電流以及輸出的電壓、電流也會摻雜各種各樣的諧波而造成污染,所以,也要防止變頻器干擾其他設備,這也等同于人們所說的簡稱 EMC 的電磁兼容。
       在使用變頻器時,變頻器會通過輻射、電磁耦合、傳導、邊傳導邊輻射和二次輻射等方式干擾周邊的設備,給外界帶來強大的干擾,成為干擾源。
變頻器會產生強烈的輻射,影響其周圍的無線電接收設備接收信號,同時,變頻器產生的傳導干擾會對其周邊的敏感電子設備和變頻器驅動的電機產生影響,并使后者產生電磁噪聲,也使電機的鐵損以及銅損進一步增加,傳感器也會被干擾電波的磁耦合干擾。
       在變頻器的輸入端通常會安裝根據變頻器頻域特性而設計好的變頻器專用輸入端濾波器來解決由于變頻器運行而對電網系統以及其他敏感電子設備產生的干擾,這種輸入端濾波器具有優良的共模和差模抑制能力,因此,可以有效抑制變頻器產生的傳導干擾,減少電磁干擾和諧波污染帶來的影響,從而使測量系統達到 EMC 要求。由于變頻器在運行時對輸出端的電動機等負載也會產生干擾,為了能夠減小這種輻射干擾,在變頻器的輸出端也專門安裝了用來針對這種干擾的變頻器專用輸出端濾波器。
3、誤差補償方法
       在傳感器的使用過程中,為了消除溫度變化產生的誤差,通常使用增加補償電路的硬件方法和線性擬合的軟件方法,實際補償效果不明顯。而為了消除電磁干擾產生的誤差,通常使用增加濾波器的方法來屏蔽變頻器等設備的電磁干擾,對于普通傳感器來說改善效果明顯,而對于超高精度的磁致伸縮位移傳感器來說,屏蔽效果依然不明顯。本文在此使用支持向量機補償模型針對溫度變化和電磁干擾產生的誤差進行補償。
      VM 支持向量機廣泛應用于解決學習方法辨識問題,它是由 Vapnik V N 提出的,以統計學習理論為基礎、以結構風險原理最小為目標的學習方法。持向量機的核函數確定了其特性和性能。RBF 核函數、多項式核函數現常用于機器人學習領域,但兩者也有所區別,前者屬于局部核函數,后者屬于全局核函數。局部核函數學習能力較強,但泛化能力較弱。全局核函數恰恰與之相反,擁有較強的泛化能力?,F為獲得學習能力和泛化能力都優異的核函數,對兩種核函數進行融合,得到一種新型核函數,以實現支持向量機的改造,取其優勢。
       支持向量機的核函數確定了其特性和性能,本文使用新的混合核函數式改進型支持向量機模型,通?;旌虾撕瘮抵械?RBF 核函數參數 γ 值、懲罰系數 c 值、多項式核函數參數 q 值以及兩個核函數的混合權重系數 a 值均為人工賦值,全憑專家經驗設定,模型預測性能依賴建模者的經驗,存在較大的隨機性,因此,本文使用協同量子粒子群算法對核函數的參數進行優化,提高預測模型的預測性能。
       粒子群優化算法 ( Particle Swarm Optimization,PSO) 是由 Eberhart R 和 Kennedy J 共同提出的,它可應用于實數求解,也可應用于解決基于群體智能的全局搜索算法問題。
       本文使用 CQPSO 對混合函數中的 RBF 核函數參數 γ 值、懲罰系數 c 值、多項式核函數參數 q 值以及兩個核函數的混合權重系數 a 值進行優化,提高補償模型的誤差補償性能。實現過程如下:
步驟 1: 對誤差補償模型中的基本參數進行初始化;
步驟 2: 對優化模型進行初始化,設定粒子群的規模,由步驟 1 中確定的各參數取值范圍隨機生成一組參數;
步驟 3: 對粒子群中各個粒子的適應值 f ( Xi )進行計算;
步驟 4: 將粒子群分成若干個子群,記為 s,計算 s 個子群中適應值的最優粒子,得到 s 個子群中各個子群的最優解,選出子群中適應值最優的粒子組建成種群基因庫;
步驟 5: 計算收縮擴張系數 βti和子群的學習概率參數 lc ;
步驟 6: 迭代更新對粒子的適應值及種群最優解;
步驟 7: 當迭代至進化的周期,將子群中劣質粒子淘汰,對步驟 4 建立的種群的基因庫進行更新;
步驟 8: 重復步驟 5 ~ 步驟 7,直至迭代完成;
步驟 9: 求解種群最優解,得到 RBF 參數的最優值;
步驟 10: 建立基于改進型支持向量機算法的傳感器誤差補償模型。
4 實驗研究
       通過實驗方法測試磁致伸縮位移傳感器受到溫度和電磁干擾而產生的誤差以及誤差補償方法的可行性。將傳感器放置于恒溫環境中,測得不同溫度環境下傳感器的測量數據,并與真實位移數據進行誤差對比。
      實驗測試結果表明: 溫度會影響磁致伸縮位移傳感器的測量精度,在同一位移情況下,溫度越高,測量精度越低; 而在同一溫度情況下,位移越高,測量精度受溫度影響越明顯。
       由溫度補償后的測量結果可知,在溫度補償模型的作用下,磁致伸縮位移傳感器在其有效量程( 100 ~ 600mm)內的測量誤差在允許誤差范圍內。
        在傳感器測量系統中加入控制電動機轉速的變頻器,并且增加變頻器濾波器以減弱變頻器對傳感器的干擾。研究變頻器對電機進行頻率控制后對傳感器測量精度的影響。
       從實驗結果可以看出,不同頻率調整下,傳感器的測量誤差是不同的,頻率調整幅度越大,傳感器受到干擾越強烈。通過本文建立的誤差補償模型,對傳感器數據進行補償后測量誤差。實驗結果表明,磁致伸縮位移傳感器測量精度受電控柜內變頻干擾影響較大,使用變頻器濾波器后,可消除大部分電磁干擾對傳感器精度的影響,但仍然不能完全消除,在使用誤差補償模型前,傳感器的測量誤差均值為 1. 645% ,通過本文建立的誤差補償模型對傳感器數據進行補償后,測量誤差均值為 0. 065% ,下降了1. 58% 。
5 結論
(1) 磁致伸縮位移傳感器測量精度受使用環境溫度影響較大,使用本文研究的補償模型后,可以減小溫度對傳感器精度的影響。
(2) 磁致伸縮位移傳感器測量精度受電控柜內變頻干擾影響較大,使用變頻器濾波器后,可消除大部分電磁干擾對傳感器精度的影響,但仍然不能完全消除,在對傳感器精度要求較高的工況下,可使用本文建立的傳感器誤差補償模型來減小變頻器對傳感器測量精度干擾。
 


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