新型流速儀檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì).docx

1、Vol.29No.10184艦船電子工程ShipElectronicEngineering新型流速儀檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì).柳軍張文錦（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程院南京210096）摘要流速儀檢定系統(tǒng)是衡量流速儀測(cè)址流速精度的檢定裝置。針對(duì)傳統(tǒng)流速儀檢定系統(tǒng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的流速儀檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用新的前端信號(hào)調(diào)理方法，并添加了智能化識(shí)別水阻干擾程序,采用了新的數(shù)據(jù)處理方式對(duì)流速儀信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，該檢定系統(tǒng)符合檢定要求，可靠性高。關(guān)鍵詞流速儀；檢定系統(tǒng)；信號(hào)調(diào)理中圖分類號(hào)TP216DesignofCurrent-meterCalibrationSystemLiuJunZhangWcnj

2、in(InstituteofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)AbstractThecalibrationsystemofcurrent-metcrisameasuredprecisioncalibrationdeviceofcurrent-mcter.Accordingtothedefectsofconventioanldevice,thisnewcalibrationtsystemusesanewsigna)disposal.andnewdataprocessingmethodthatadda

3、specialprogramtoaimatwaterresistance.Thepraticalexperimentsprovethatmeetthedemandsofdetectionandhashighrcliablity.Keywordscurrent-meter*calibrationsystem,signalconditionClassNumberTP216收稿日期：2009年6月15日，修回日期：2009年7月4日作者簡介:柳軍，男.碩士研究生，研究方向:測(cè)試技術(shù)與儀器。張文錦，男，碩士生導(dǎo)師教授，研究方向：智能檢測(cè)儀器、機(jī)電一體化、電源逆變技術(shù)。1引言流速儀信號(hào)是周期信號(hào)，理論上

4、應(yīng)該是方波，圖形相對(duì)簡單，但由于流速儀機(jī)械結(jié)構(gòu)抖動(dòng)，水電阻的存在，周邊電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電磁干擾，使得流速儀信號(hào)存在毛刺和干擾信號(hào)。目前國內(nèi)常采用的是計(jì)脈沖量的方法，而這種方法的關(guān)鍵就是準(zhǔn)確測(cè)量出脈沖個(gè)數(shù)，一般的解決手段是采用硬件電路來濾除抖動(dòng)，但是由于水阻不可避免的出現(xiàn)，導(dǎo)致低電壓抬高，導(dǎo)致常用硬件電路誤認(rèn)為流速儀信號(hào)高導(dǎo)通，從而使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差,而且當(dāng)流速儀信號(hào)變的不理想時(shí)，則調(diào)試修正硬件參數(shù)變得更為麻煩,國內(nèi)有些水槽更是通過換水來解決水阻問題，提高了檢定成本。本設(shè)計(jì)試圖采用新的數(shù)字信號(hào)處理方法，從而使得整個(gè)檢定系統(tǒng)自適應(yīng)性增強(qiáng)，減少了檢測(cè)成本。本文所研究的流速儀檢定系統(tǒng)應(yīng)用于中國東部水利水文

5、儀器檢測(cè)中心的水槽，已處于運(yùn)行階段，效果良好。2流速儀信號(hào)特征和檢定原理2.1流速儀信號(hào)特征流速儀信號(hào)是由流速儀內(nèi)部的機(jī)械觸點(diǎn)相接觸而產(chǎn)生的。當(dāng)流速儀浸泡在水中，水流會(huì)推動(dòng)流速儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過流速儀內(nèi)部的機(jī)械設(shè)計(jì)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)固定的圈數(shù)的時(shí)候，機(jī)械觸點(diǎn)會(huì)閉合一次,從而產(chǎn)生一個(gè)流速儀信號(hào)。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，水槽中的水不可避免的含有很多的雜質(zhì),產(chǎn)生了很多導(dǎo)電離子，因此流速儀信號(hào)反應(yīng)出來的特點(diǎn)就是當(dāng)流速觸點(diǎn)分開的時(shí)候信號(hào)并不表現(xiàn)出完全斷開的特征，其次流速儀信號(hào)是由機(jī)械觸點(diǎn)產(chǎn)生的.其信號(hào)必然會(huì)圖1流速儀信號(hào)受到機(jī)械觸點(diǎn)抖動(dòng)影響，特別是使用時(shí)間較長的流速儀信號(hào)波形的完整性會(huì)很差。圖

6、1所示的是在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一臺(tái)舊的LS25-1型流速儀進(jìn)行采集的信號(hào)。2.2檢定原理本系統(tǒng)屬于靜水檢定槽,采用直線明槽靜水檢定法：在橫斷面均勻一致的直線靜水槽中，在軌道上行駛的檢定車以規(guī)定的若干個(gè)穩(wěn)定速度牽引流速儀，使固定安裝在測(cè)桿上的流速儀在靜水中行進(jìn),測(cè)定在檢定車各速度'下一系列流速儀轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)速心，通過對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，建立流速儀直線運(yùn)動(dòng)方程可得到檢定/校準(zhǔn)結(jié)果，即流速儀檢定方程.見式(1)V=a+bX”(1)式中,V為水流速度,單位為m/s;為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率，單位為r/s；a為儀器常數(shù),單位為m/s；6為儀器水力螺距。水力螺距b是一個(gè)倍比常數(shù)，表征流速儀轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與水流速度之間的

7、關(guān)系，即可表示水流質(zhì)點(diǎn)在流速儀旋杯(或轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的行程長度。儀器系數(shù)。是一個(gè)附加常數(shù)，表征儀器內(nèi)部各運(yùn)動(dòng)付之間的摩阻，如球軸承、減速機(jī)構(gòu)、信號(hào)接觸裝置、潤滑油等，與轉(zhuǎn)子的有效半徑R、旋杯(或轉(zhuǎn)子)的螺距、旋杯的阻力系數(shù)有關(guān)。的值可以通過相對(duì)均方差-最小二乘法來確定O2.3檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)采集方法整個(gè)檢定裝置分成水槽,檢定車,控制室三大主要部分。水槽用于提供系統(tǒng)檢定要求的靜水，以及用于安裝鐵軌與供電系統(tǒng)。主要的測(cè)控系統(tǒng)安裝在檢定車上與操作室中;操作室中系統(tǒng)主要用于遙控檢定車自動(dòng)檢定，接收、處理檢定車發(fā)送來的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及提供友好的人機(jī)交互界面。檢定車車上系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)車速，位置，流速儀信號(hào)，

8、同時(shí)實(shí)現(xiàn)車體的無級(jí)調(diào)速以及控制懸掛系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)向。根據(jù)系統(tǒng)功能，按圖2所示總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本文著重描述流速儀信號(hào)采集處理的方法，圖3為流速儀信號(hào)檢測(cè)原理的結(jié)構(gòu)框圖。3路流速儀信號(hào)是由各獨(dú)立的電源供電以防止串?dāng)_,再經(jīng)過1IqJ»一無線收發(fā)器一1IqJ»一無線收發(fā)器一無線戲發(fā)器一主動(dòng)力拖動(dòng)子系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)與懸掛控制系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)位置檢測(cè)模塊車速檢測(cè)模塊圖2總體檢定系統(tǒng)堵構(gòu)圖線性光耦隔離，之所以采用線性光耦是為了能夠在后端AD采樣中，能夠真實(shí)地獲得流速儀的信號(hào)特征,軟件濾波的作用是為濾除信號(hào)前沿的一些干擾信號(hào)，信號(hào)處理獲得相鄰兩個(gè)或幾個(gè)高脈沖的起止時(shí)間，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速，最后通過串

9、口發(fā)送到上位機(jī)。h路流速偵j線性光或響儀信號(hào)尸|幗隔離調(diào)話FI菜祥FI淮波F1處理FI機(jī)|圖3流速儀信號(hào)檢刑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框3信號(hào)接口電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的控制核心是利浦公司生產(chǎn)的ARM7系列的嵌入式微處理芯片LPC2214,該芯片片上集成了8路10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，測(cè)量范圍為。3V,轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44仔,且可編程控制采樣頻率，完全滿足流速儀信號(hào)采樣頻率的要求。本電路設(shè)計(jì)采用線性光耦HCNR201，這種光耦不但可以較好地實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的隔離.而且線性度好，電路簡單，后端信號(hào)能比較真實(shí)的反映出前端信號(hào)的特征，圖4為流速儀信號(hào)處理接口電路。圖4流速儀信號(hào)處理接口電路光耦前端和后端的電源是獨(dú)立

10、的，前端采用和流速儀一樣的電源，后端元器件由板上數(shù)字電源供電，且兩地之間分開，這樣各種干擾信號(hào)就不會(huì)引入到光耦后端的系統(tǒng)，這在同時(shí)測(cè)多路流速儀信號(hào)過程中顯得尤為重要，以避免流速儀信號(hào)之間相互串?dāng)_。第一級(jí)運(yùn)放U1是做電壓跟隨器用，起到降低阻抗的作用，電阻R3起限流作用，設(shè)U1輸出電壓為VI,對(duì)于U2虛短原則可得:V1/V2,設(shè)U3的輸出電壓為皿，可得皿=1知2*R4,由K=】pDi/1pni，得out=K*Ip)i*R4=K*V1/R2*R4,令R2=R4,那么4/K,=K=l,此電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的線性變化，經(jīng)過標(biāo)定后可以準(zhǔn)確測(cè)得輸入模擬電壓的值。4軟件設(shè)計(jì)4.1信號(hào)采集算法程序?qū)崿F(xiàn)的

11、思想關(guān)鍵部分包括兩個(gè)部分:首先是測(cè)量流速儀信號(hào)的總時(shí)間，其次是檢測(cè)在測(cè)最過程中產(chǎn)生了幾個(gè)有效的流速儀信號(hào)。兩個(gè)工作是同時(shí)進(jìn)行的，一旦檢測(cè)到采集到足夠的流速儀信號(hào)后就做信號(hào)周期計(jì)算，并將周期值發(fā)給上位機(jī)。判斷有效信號(hào)的方法是判斷信號(hào)的上升沿，一旦檢測(cè)到信號(hào)的上升沿就認(rèn)為采集到一個(gè)有效脈沖。檢測(cè)信號(hào)的上升沿利用連續(xù)判斷采集信號(hào)的值來確定的。比如判斷如果連續(xù)采集到60個(gè)高點(diǎn)平就認(rèn)為到達(dá)了信號(hào)的高電平區(qū)，這樣可以濾除意外的短干擾,避免誤觸發(fā)。程序設(shè)計(jì)中還有一個(gè)難點(diǎn)就是判斷測(cè)量點(diǎn)。因?yàn)槌绦蚴遣捎门袛嗌仙氐姆椒▉砼袛嘤行盘?hào)的個(gè)數(shù)的，因此在測(cè)量過程中從何時(shí)開始判斷有效信號(hào)和計(jì)時(shí)是個(gè)關(guān)鍵問題。程序進(jìn)入測(cè)域

12、時(shí)首先判斷此時(shí)信號(hào)是處于高電平區(qū)還是低電平區(qū)，如果是高電平區(qū)，程序?qū)⒁恢睓z測(cè)低電平。一旦程序檢測(cè)到低電平區(qū)，就等待信號(hào)的上升沿的到來。一旦第一個(gè)高電平信號(hào)來到就開始啟動(dòng)判斷上升沿程序，并計(jì)時(shí)。當(dāng)判斷到采集足夠數(shù)址的完整脈沖后就進(jìn)行平均信號(hào)周期計(jì)算，并發(fā)送周期值給上位機(jī)。整套流速儀信號(hào)采集的程序流程圖如圖5所示。4.2水阻的特殊處理由于水阻的存在,流速信號(hào)一直是處于導(dǎo)通狀態(tài)，在圖5流程圖中高低電平的判斷上用硬件是很難處理妥當(dāng)?shù)?，?shí)際檢測(cè)中，流速儀信號(hào)出來的電壓范圍隨水阻的變化而變化，針對(duì)這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)提出閾值比較濾波處理方法，就是用采集到的電壓跟閩值進(jìn)行比較，如果電壓大于閾值就表明此時(shí)信號(hào)已經(jīng)

13、進(jìn)入高電平區(qū)，需要將該數(shù)值進(jìn)行儲(chǔ)存為后續(xù)的信號(hào)處理算法做準(zhǔn)備。當(dāng)采集電壓值小于閾值時(shí)表明采集到的是信號(hào)的低電平區(qū)，則根據(jù)程序算法設(shè)計(jì)只統(tǒng)計(jì)其低電平區(qū)采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并不做進(jìn)一步處理。動(dòng)態(tài)閾值確定的具體方法:要確定閾值首先要確定水電阻造成的直流干擾電壓。這一干擾對(duì)流圖5流速儀信號(hào)采集流程圖速儀信號(hào)的影響就是抬高信號(hào)的低電平，降低信號(hào)的高電平。流速儀信號(hào)是方波信號(hào),低電平理論上應(yīng)該為0,因此，信號(hào)的一個(gè)周期中，水電阻噪聲電壓必然最接近信號(hào)的最小電壓值。據(jù)此，可以通過檢測(cè)一個(gè)周期中信號(hào)電壓的最小值來預(yù)測(cè)噪聲電壓。算法中設(shè)定兩個(gè)變量MAX與MIN,MAX用于存放一個(gè)周期中檢測(cè)到的信號(hào)電壓的最大值,MIN

14、用于存放最小值。檢測(cè)完一個(gè)周期后，計(jì)算閾值，閾值=MIN+(MAXMIN)X20%。圖6為水電阻處理算法流程圖。使用默認(rèn)MAX/MIN計(jì)算圖6水電阻處理算法流程圖在初次測(cè)雖時(shí)，可以先讓檢定車空跑一趟不檢定流速儀，以獲得初始的最大最小值，再次測(cè)量時(shí)就可以不受水阻的影響，很準(zhǔn)確地檢定出流速儀信號(hào)，這種方法智能化程度很高，脫離了硬件調(diào)試的困擾，已經(jīng)在東部水利水文儀器檢測(cè)中心運(yùn)行良好。5結(jié)語通過對(duì)流速儀信號(hào)分析，改進(jìn)信號(hào)調(diào)理方式,簡化硬件電路，并對(duì)長期困擾流速儀檢定的水阻問題，提出了新的軟件解決方法，使得該系統(tǒng)具有智能排除水阻干擾，有效濾除抖動(dòng)干擾，可靠性高的特點(diǎn)，具有良好的實(shí)用性，能夠滿足我國行業(yè)標(biāo)

15、準(zhǔn)直流明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法規(guī)定的精度要求，作為整個(gè)檢定系統(tǒng)的重要組成部分，已成功地用于東部水利水文儀器檢測(cè)中心使用的檢定車中。參考文獻(xiàn)1 雙正文，茄純亮.呂霞付.基于嵌入式的智能流速儀研制J.電子測(cè)試,2008,(12)：7075陳顯榮.轉(zhuǎn)子式流速儀檢定中對(duì)采集數(shù)據(jù)的判別J.水利水文自動(dòng)化.1997,(1):15-192 ISO3455-1976.明渠水流測(cè)量一宜線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定S.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995張石娃，杜軍，劉志宏.最小二乘法在轉(zhuǎn)子流速儀檢定中的應(yīng)用探討J.氣象水文海洋儀器，2003,(4)：29323 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程M.北京:北京航空航天

16、大學(xué)出版社,2005：132147李海波，林輝.線性光耦在電流采樣中的應(yīng)用J.電子元器件應(yīng)用,2004,9JPES,«OOvns.auc萬HPerformanceis9.93891c-006.1010:10”IO410'10'1325EpochsStopTraining（上接第164頁）為檢驗(yàn)訓(xùn)練仿真的效果數(shù)據(jù)。前四組數(shù)據(jù)目標(biāo)值為0101,net.trainPararrtepochs=3000；net.trainParam.goal=le5；net.trainParam.Lr=2.05；net.trainParam.Lr_dec=0.05；隱含層神經(jīng)元取8,傳輸函數(shù)為

17、S型函數(shù)，使用有自適應(yīng)Lr的梯度下降算法進(jìn)行訓(xùn)練1.00000.00800.2625-0.9637-0.4945-0.24820.00801.0000-0.84790.2352-0.80610.5686P=0.2625-0.84791.0000-0.46590.6530-0.8500-0.96370.2352-0.46591.00000.30490.3798訓(xùn)練過程及誤差曲線如圖1所示。采用后兩組數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果為:0.0038,0.9960。跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果0,1相符，仿真效果良好。圖I規(guī)范化輸入圖2原始敬據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練性能曲線訓(xùn)練誤差性能曲線2)我們采用原始數(shù)據(jù)作為有自適應(yīng)Lr的梯度下降算法的輸入樣本集，同樣我們選擇前四組為輸入樣本集，后兩組為仿真效果數(shù)據(jù).參數(shù)設(shè)置同上，訓(xùn)練過程及誤差曲線如圖2所示。采用后兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果為0.0100.0.4010。在這種情況下不但仿真效果不明顯，而且訓(xùn)練次數(shù)成倍數(shù)的增加,難以達(dá)到訓(xùn)練要求。4結(jié)語針對(duì)由參數(shù)漂移的或者是參數(shù)不匹配引起的界限不明難以判別的故障，我們采用對(duì)輸入樣本進(jìn)行平移和相關(guān)性處理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷故障的方法,這種對(duì)輸入樣本進(jìn)行處理的方法相對(duì)比較簡單易于實(shí)現(xiàn)，并可以解決訓(xùn)練過程中出現(xiàn)震蕩，訓(xùn)練速度慢的問題，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。參考文獻(xiàn)1 高雋.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及仿真實(shí)例M.北京：機(jī)械