磁致伸缩液位传感器温度补偿方法研究

 磁致伸缩液位传感器温度补偿方法研究
作者：毛君；谢春雪；孟洋；谢苗；刘治翔





        磁致伸缩液位传感器以其高精度、高灵敏度、高可靠性等特点，广泛应用于石油化工、航空航天等传统液位传感器不能满足要求的工业领域场合，本文研究的磁致伸缩液位传感器主要应用于航空发动机滑油喷嘴流量测试系统中，对传感器的测量精度以及对环境的适应性等要求更为严格。在对磁致伸缩液位传感器测量精度问题的研究中，先对传感器的工作原理以及结构进行了详细的介绍，并通过模块化电路的设计方法来提高传感器的整体性能，通过实验验证了其设计的电路具有良好的动、静态特性。运用了材料力学，电磁学等相关学科理论对磁致伸缩液位传感器中的弹性波产生原理以及信号处理原理等建立了准确的数学模型，并通过理论计算以及实验研究对所建立模型的准确性进行了验证，为后来研究人员提供了很好的理论依据。提出了一种可有效降低传感器噪声干扰，提高传感器测量精度的双丝差动的新型结构。但是，上述提出的改进方法均需要对传感器的硬件系统进行改进，这种方式具有不利于实现，适应性差，并且不能够对传感器全程进行温度补偿，以及温度补偿电路容易产生漂移等问题。依据上述问题，本文采用最小二乘法对实验测得的数据进行多次拟合，通过误差评判标准选定逼近程度好的拟合曲线方程作为传感器的补偿方程，再次通过实验对补偿方法进行验证。

2 传感器工作原理及误差分析 

2.1 传感器工作原理 

      1842 年科学家 James Prescott Joule 发现了磁致伸缩原理：当外界磁场作用在铁磁体上使其磁化时，铁磁体的磁畴结构会产生变化。原子之间的间距发生改变，使得铁磁体的形状也发生改变，铁磁体在磁场方向上产生的变化更为明显。磁致伸缩液位传感器即根据磁体的磁致伸缩原理设计。传感器由不锈钢波导管、波导丝、浮球以及信号处理装置组成。

当传感器开始工作时，传感器上端的信号发生装置会发送一个电流脉冲信号至磁致伸缩波导丝上。这个电脉冲以光速传播，产生一个环形磁场，此环形磁场遇到浮子内磁铁时，产生波导扭曲并产生一个应变超声波，该超声波以一定的速率沿着波导管向两端传播，一端的超声波会由末端的阻尼器吸收，另一端超声波由信号接收装置接收并转为电流信号，这样用超声波的速度乘以发生信号与接收信号的时间差就得到浮子的位置。磁致伸缩液位传感器的工作波形，如图 1(b)所示。 

2.2 传感器误差分析 

(1)温度对传感器浮子位置的影响

       传感器的被测液体是航空滑油，其密度会随着温度变化而变化，通过实际的实验测量，得到滑油密度随温度变化曲线，二者变化曲线类似于抛物线。滑油密度随温度变化曲线。密度的变化会使得同一个物体侵入该液体体积发生改变。由磁致伸缩液位传感器的工作原理得知传感器是通过浮球侵入液体从而反应出相对于的液位，温度的变化势必影响传感器浮球侵入液体的体积，从而影响传感器测量的准确性，特别对于温差较大的系统，其误差有可能超过系统的要求。因此在温度变化较大的系统须消除温度对磁致伸缩液位传感器的影响。

(2)温度对传感器内部晶振的影响

       测量时激励脉冲与返回脉冲的时间差决定了浮子的位置，因此，时钟晶振是影响传感器测量精度的重要因素之一。然后在被测介质温差变化较大的场合，晶振会因为产生的温度漂移而影响传感器测量的精度。

(3)温度对回波速率的影响

       由磁致伸缩液位传感器的工作原理可知，传感器实质是应用时间来表示液位值。波导材料的应力、密度、弹性模量等参数都会影响材料的回波速率，而温度又会影响波导材料的各项参数。 通过上述分析可知，温度会在多方面对传感器的测量精度产生较大的影响，因此，不易于使用硬件改进的方法进行修正。在低温区域(20 ℃-40 ℃)，误差呈线性，通过使用传统的修正方式可以获得较好的修正，但是高温区域(50 ℃-70 ℃)的误差呈非线性，使用传统的修正方式不能获得修正，因此我们可以通过这种补偿方法的效果有限，仅能在某段区域能够获得补偿作用，下面将通过基于小二乘法的多次拟合方法来对高温区域的传感器进行温度补偿。

3 补偿方法研究 

       为减小温度对滑油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球密度相对较小的浮球，或是通过减小球形浮球的半径来减小滑油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。传统的补偿方法是使用温度修正系数在传感器采集系统中对温度进行补偿，生产厂家提供的系数为 0.07 %，通过不断反复的实验，将温度修正系数确定在了 0.03 %~0.06 %之间，通过实验测得在0.03 %~0.06 %之间。 

4 实验分析 

4.1 误差评估标准 

      由于拟合过程中有效数字的取舍以及实验测量误差等原因必然造成拟合结果的精确性，因此使用误差、算术平均误差及均方误差来评估拟合曲线的精确性。

4.2 实验结果分析 

       通过计算，不同温度下拟合曲线的误差，采用一次拟合曲线对传感器进行补偿时的误差波动很大，而二次至四次的拟合曲线无法准确评价其优劣，因此需要再次通过算数平均误差与标准差来评估，二次至四次拟合曲线的算数平均误差与标准差。 在选取的 50 ℃、60 ℃、 70 ℃条件下，四次拟合曲线的算术平均误差与标准差小，即说明该拟合方程的精确度高。

        对由于被测液体温度变化而产生的误差机理进行了分析。对传感器在各个温度下的输出值进行了测量，并提出了通过基于最小二乘法的一次至四次多项式拟合温度补偿方法，通过对拟合曲线的误差、算术平均误差以及标准差进行对比，确定了四次拟合曲线为本文研究的磁致伸缩液位传感器的最佳拟合曲线。该种拟合方法可有效应用于温差较大条件下磁致伸缩液位传感器的温度补偿。





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