基于磁致伸缩传感器的辊压机压下位移监测及误差补偿

基于磁致伸缩传感器的辊压机压下位移监测及误差补偿
作者：蔡明伟；岳永哲；





       辊压机压下机构主要由液压缸推动实现压下力和压下量的控制。辊压机压下机构位移量实时在线监控是实现辊压机数控化的重要基础，也是保证辊压件质量的基础。磁致伸缩材料在磁化过程中因外磁场条件改变会发生几何尺寸的可逆变化，利用这种效应 (磁致伸缩效应) 及其逆效应设计出的绝对位移传感器-磁致伸缩位移传感器，可以实现对位移的非接触式测量。这种传感器集高精度、非接触、可靠的稳定性、良好的重复性、高强度的环境适应能力、适中的成本等诸多优点于一身，因此，在诸如石油、化工、水利、航空等许多行业的各种罐储的液位测量系统中都被广泛使用。

考虑到辊压机工作时设备温度变化范围大、外界干扰强烈等特点，本文研究了基于磁致伸缩传感器的辊压机压下位移监测及误差补偿方法。

1、基于磁致伸缩位移传感器的辊压机压下位移监测系统

1. 1 磁致伸缩位移传感器工作原理

       将一个激励脉冲作用于磁致伸缩位移传感器波导丝的一端，这时会产生一个环形磁场 H，该环形磁场 H 伴随着沿波导丝方向向前传播的脉冲以光速向前传播。由于滑块中的永磁体能够产生纵向磁场，当环形磁场 H 遇到该纵向磁场时，会使波导丝产生扭变，从而产生扭转波。沿着波导丝的方向，该扭转波会以不变的速率分别向两端传播，向前传播的最终会被波导丝一端的阻尼原件吸收，而向回传播的扭转波会传到接收带材上。由磁致伸缩逆效应可知，缠绕着带材的接收线圈会随着磁通量的变化而产生感应电动势，经过调理电路滤波放大处理之后，可以转换为计时器可以识别的电脉冲，在利用计时器计算发生激励脉冲和接受脉冲之间的时间差 t 之后，就能够确定滑块的位置，进一步就能得到当前被测体的液位。

1. 2 辊压机压下位移监测系统

       辊压机正常工作时，需要多套电液伺服系统进行协同配合工作。主要由液压泵、电液伺服换向阀、油缸、调平平台、控制系统、数据采集系统以及各类型传感器等组成。各类型传感器主要有安装于液压系统中的流量、压力以及油缸位移传感器等。通过数据采集卡将各类型传感器信号采集处理后反馈至控制系统，由控制系统的控制决策得到各个油缸的动作指令，从而实现液压缸的控制。辊压机压下机构的驱动液压缸动作位移的实时在线监测是保证辊压件质量的基础。本文使用高精度磁致伸缩传感器对辊压机压下机构的驱动液压缸位移进行实时监测。

        当压下机构动作时，带动位移传感器滑块一同动作。在激励脉冲通过单片机 ( MCU) 主控制器控制脉冲发生电路产生后，计时电路就会进入工作状态，波导丝上面会由于激励脉冲信号遇见活动滑块(永磁体) 而发生磁致伸缩反应，进而产生扭转波。由磁致伸缩逆效应可知，接收装置会将返回的扭转波转化为电信号，也就是产生感生电动势，脉冲信号如果能够得到信号调理电路有效的处理，就会被发送到计时电路和单片机 (MCU) 中去，这时 MCU会接收到计时电路停止时传过来的数值。在经过计算之后，MCU 会得到被测液体的准确液位，并将其显示在 LCD 上，并进一步以 4 ～ 20 mA 和其他通讯方式传送给上位机或者其他设备。

2、磁致伸缩位移传感器误差分析

       辊压机工作环境常常存在较大的温度变化以及强烈的电磁干扰。其中磁致伸缩位移传感器在实际使用过程中，经常会由于受到外界环境干扰而产生较大的测量误差，根据实际使用经验，外界环境干扰主要是使用环境温度的变化以及电磁干扰的影响。

2. 1 温度对传感器内部晶振的影响

       根据传感器的工作原理，测量时的激励脉冲与返回脉冲的时间决定了滑块的位置，所以，时钟晶振能有效影响传感器的稳定性和测量的精度。但是，晶振会由于被测液位温度发生较大变化而产生温度漂移，从而对传感器测量造成误差影响。

2. 2 温度对回波速率的影响

       经过分析得出，波导材料的密度、应力、弹性模量等参数均对回波速率有影响，一旦温度产生变化，这些参数也会发生显著的变化。所以，只有在恒温或温度变化不大的测量场合，才能使用上述波速率公式。

2. 3 外界电磁干扰对传感器测量精度的影响

      在当今电子技术高速发展的情况下，凭借着极好的控制性能、驱动能力以及节能特性等优势，变频器被广泛应用于工业控制方面。变频器很容易被外界电器影响，因为其核心是许多不同的电子元件和芯片。因此，要防止变频器在实际使用过程中受到外界电气的干扰。同时，由于变频器的输入电压、电流以及输出的电压、电流也会掺杂各种各样的谐波而造成污染，所以，也要防止变频器干扰其他设备，这也等同于人们所说的简称 EMC 的电磁兼容。

       在使用变频器时，变频器会通过辐射、电磁耦合、传导、边传导边辐射和二次辐射等方式干扰周边的设备，给外界带来强大的干扰，成为干扰源。

变频器会产生强烈的辐射，影响其周围的无线电接收设备接收信号，同时，变频器产生的传导干扰会对其周边的敏感电子设备和变频器驱动的电机产生影响，并使后者产生电磁噪声，也使电机的铁损以及铜损进一步增加，传感器也会被干扰电波的磁耦合干扰。

       在变频器的输入端通常会安装根据变频器频域特性而设计好的变频器专用输入端滤波器来解决由于变频器运行而对电网系统以及其他敏感电子设备产生的干扰，这种输入端滤波器具有优良的共模和差模抑制能力，因此，可以有效抑制变频器产生的传导干扰，减少电磁干扰和谐波污染带来的影响，从而使测量系统达到 EMC 要求。由于变频器在运行时对输出端的电动机等负载也会产生干扰，为了能够减小这种辐射干扰，在变频器的输出端也专门安装了用来针对这种干扰的变频器专用输出端滤波器。

3、误差补偿方法

       在传感器的使用过程中，为了消除温度变化产生的误差，通常使用增加补偿电路的硬件方法和线性拟合的软件方法，实际补偿效果不明显。而为了消除电磁干扰产生的误差，通常使用增加滤波器的方法来屏蔽变频器等设备的电磁干扰，对于普通传感器来说改善效果明显，而对于超高精度的磁致伸缩位移传感器来说，屏蔽效果依然不明显。本文在此使用支持向量机补偿模型针对温度变化和电磁干扰产生的误差进行补偿。

      VM 支持向量机广泛应用于解决学习方法辨识问题，它是由 Vapnik V N 提出的，以统计学习理论为基础、以结构风险原理最小为目标的学习方法。持向量机的核函数确定了其特性和性能。ＲBF 核函数、多项式核函数现常用于机器人学习领域，但两者也有所区别，前者属于局部核函数，后者属于全局核函数。局部核函数学习能力较强，但泛化能力较弱。全局核函数恰恰与之相反，拥有较强的泛化能力。现为获得学习能力和泛化能力都优异的核函数，对两种核函数进行融合，得到一种新型核函数，以实现支持向量机的改造，取其优势。

       支持向量机的核函数确定了其特性和性能，本文使用新的混合核函数式改进型支持向量机模型，通常混合核函数中的 ＲBF 核函数参数 γ 值、惩罚系数 c 值、多项式核函数参数 q 值以及两个核函数的混合权重系数 a 值均为人工赋值，全凭专家经验设定，模型预测性能依赖建模者的经验，存在较大的随机性，因此，本文使用协同量子粒子群算法对核函数的参数进行优化，提高预测模型的预测性能。

       粒子群优化算法 ( Particle Swarm Optimization，PSO) 是由 Eberhart Ｒ 和 Kennedy J 共同提出的，它可应用于实数求解，也可应用于解决基于群体智能的全局搜索算法问题。

       本文使用 CQPSO 对混合函数中的 ＲBF 核函数参数 γ 值、惩罚系数 c 值、多项式核函数参数 q 值以及两个核函数的混合权重系数 a 值进行优化，提高补偿模型的误差补偿性能。实现过程如下:

步骤 1: 对误差补偿模型中的基本参数进行初始化;

步骤 2: 对优化模型进行初始化，设定粒子群的规模，由步骤 1 中确定的各参数取值范围随机生成一组参数;

步骤 3: 对粒子群中各个粒子的适应值 f ( Xi )进行计算;

步骤 4: 将粒子群分成若干个子群，记为 s，计算 s 个子群中适应值的最优粒子，得到 s 个子群中各个子群的最优解，选出子群中适应值最优的粒子组建成种群基因库;

步骤 5: 计算收缩扩张系数 βti和子群的学习概率参数 lc ;

步骤 6: 迭代更新对粒子的适应值及种群最优解;

步骤 7: 当迭代至进化的周期，将子群中劣质粒子淘汰，对步骤 4 建立的种群的基因库进行更新;

步骤 8: 重复步骤 5 ～ 步骤 7，直至迭代完成;

步骤 9: 求解种群最优解，得到 ＲBF 参数的最优值;

步骤 10: 建立基于改进型支持向量机算法的传感器误差补偿模型。

4 实验研究

       通过实验方法测试磁致伸缩位移传感器受到温度和电磁干扰而产生的误差以及误差补偿方法的可行性。将传感器放置于恒温环境中，测得不同温度环境下传感器的测量数据，并与真实位移数据进行误差对比。

      实验测试结果表明: 温度会影响磁致伸缩位移传感器的测量精度，在同一位移情况下，温度越高，测量精度越低; 而在同一温度情况下，位移越高，测量精度受温度影响越明显。

       由温度补偿后的测量结果可知，在温度补偿模型的作用下，磁致伸缩位移传感器在其有效量程( 100 ～ 600mm)内的测量误差在允许误差范围内。

        在传感器测量系统中加入控制电动机转速的变频器，并且增加变频器滤波器以减弱变频器对传感器的干扰。研究变频器对电机进行频率控制后对传感器测量精度的影响。

       从实验结果可以看出，不同频率调整下，传感器的测量误差是不同的，频率调整幅度越大，传感器受到干扰越强烈。通过本文建立的误差补偿模型，对传感器数据进行补偿后测量误差。实验结果表明，磁致伸缩位移传感器测量精度受电控柜内变频干扰影响较大，使用变频器滤波器后，可消除大部分电磁干扰对传感器精度的影响，但仍然不能完全消除，在使用误差补偿模型前，传感器的测量误差均值为 1. 645% ，通过本文建立的误差补偿模型对传感器数据进行补偿后，测量误差均值为 0. 065% ，下降了1. 58% 。

5 结论

(1) 磁致伸缩位移传感器测量精度受使用环境温度影响较大，使用本文研究的补偿模型后，可以减小温度对传感器精度的影响。

(2) 磁致伸缩位移传感器测量精度受电控柜内变频干扰影响较大，使用变频器滤波器后，可消除大部分电磁干扰对传感器精度的影响，但仍然不能完全消除，在对传感器精度要求较高的工况下，可使用本文建立的传感器误差补偿模型来减小变频器对传感器测量精度干扰。

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