新型流速儀檢定系統(tǒng)設計.docx

1、Vol.29No.10184艦船電子工程ShipElectronicEngineering新型流速儀檢定系統(tǒng)設計.柳軍張文錦（東南大學儀器科學與工程院南京210096）摘要流速儀檢定系統(tǒng)是衡量流速儀測址流速精度的檢定裝置。針對傳統(tǒng)流速儀檢定系統(tǒng)的缺點，設計了一種新型的流速儀檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用新的前端信號調(diào)理方法，并添加了智能化識別水阻干擾程序,采用了新的數(shù)據(jù)處理方式對流速儀信號進行采集，經(jīng)現(xiàn)場實際應用，該檢定系統(tǒng)符合檢定要求，可靠性高。關鍵詞流速儀；檢定系統(tǒng)；信號調(diào)理中圖分類號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:測試技術與儀器。張文錦，男，碩士生導師教授，研究方向：智能檢測儀器、機電一體化、電源逆變技術。1引言流速儀信號是周期信號，理論上

4、應該是方波，圖形相對簡單，但由于流速儀機械結構抖動，水電阻的存在，周邊電機運轉的電磁干擾，使得流速儀信號存在毛刺和干擾信號。目前國內(nèi)常采用的是計脈沖量的方法，而這種方法的關鍵就是準確測量出脈沖個數(shù)，一般的解決手段是采用硬件電路來濾除抖動，但是由于水阻不可避免的出現(xiàn)，導致低電壓抬高，導致常用硬件電路誤認為流速儀信號高導通，從而使得測量結果產(chǎn)生誤差,而且當流速儀信號變的不理想時，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。本設計試圖采用新的數(shù)字信號處理方法，從而使得整個檢定系統(tǒng)自適應性增強，減少了檢測成本。本文所研究的流速儀檢定系統(tǒng)應用于中國東部水利水文

5、儀器檢測中心的水槽，已處于運行階段，效果良好。2流速儀信號特征和檢定原理2.1流速儀信號特征流速儀信號是由流速儀內(nèi)部的機械觸點相接觸而產(chǎn)生的。當流速儀浸泡在水中，水流會推動流速儀轉子轉動，通過流速儀內(nèi)部的機械設計，當轉子轉動固定的圈數(shù)的時候，機械觸點會閉合一次,從而產(chǎn)生一個流速儀信號。但是在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，水槽中的水不可避免的含有很多的雜質,產(chǎn)生了很多導電離子，因此流速儀信號反應出來的特點就是當流速觸點分開的時候信號并不表現(xiàn)出完全斷開的特征，其次流速儀信號是由機械觸點產(chǎn)生的.其信號必然會圖1流速儀信號受到機械觸點抖動影響，特別是使用時間較長的流速儀信號波形的完整性會很差。圖

6、1所示的是在現(xiàn)場對一臺舊的LS25-1型流速儀進行采集的信號。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)定的若干個穩(wěn)定速度牽引流速儀，使固定安裝在測桿上的流速儀在靜水中行進,測定在檢定車各速度'下一系列流速儀轉子每秒轉速心，通過對這兩組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，建立流速儀直線運動方程可得到檢定/校準結果，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;為轉子轉率，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是一個倍比常數(shù)，表征流速儀轉子的旋轉速度與水流速度之間的

7、關系，即可表示水流質點在流速儀旋杯(或轉子)旋轉一周時的行程長度。儀器系數(shù)。是一個附加常數(shù)，表征儀器內(nèi)部各運動付之間的摩阻，如球軸承、減速機構、信號接觸裝置、潤滑油等，與轉子的有效半徑R、旋杯(或轉子)的螺距、旋杯的阻力系數(shù)有關。的值可以通過相對均方差-最小二乘法來確定O2.3檢定系統(tǒng)結構和信號采集方法整個檢定裝置分成水槽,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檢定，接收、處理檢定車發(fā)送來的檢測數(shù)據(jù)以及提供友好的人機交互界面。檢定車車上系統(tǒng)負責檢測車速，位置，流速儀信號，

8、同時實現(xiàn)車體的無級調(diào)速以及控制懸掛系統(tǒng)翻轉與轉向。根據(jù)系統(tǒng)功能，按圖2所示總體結構設計系統(tǒng)。本文著重描述流速儀信號采集處理的方法，圖3為流速儀信號檢測原理的結構框圖。3路流速儀信號是由各獨立的電源供電以防止串擾,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)器一主動力拖動子系統(tǒng)信號檢測與懸掛控制系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)位置檢測模塊車速檢測模塊圖2總體檢定系統(tǒng)堵構圖線性光耦隔離，之所以采用線性光耦是為了能夠在后端AD采樣中，能夠真實地獲得流速儀的信號特征,軟件濾波的作用是為濾除信號前沿的一些干擾信號，信號處理獲得相鄰兩個或幾個高脈沖的起止時間，從而計算出轉速，最后通過串

9、口發(fā)送到上位機。h路流速偵j線性光或響儀信號尸|幗隔離調(diào)話FI菜祥FI淮波F1處理FI機|圖3流速儀信號檢刑系統(tǒng)的結構框3信號接口電路設計本系統(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)轉換器，測量范圍為。3V,轉換時間低至2.44仔,且可編程控制采樣頻率，完全滿足流速儀信號采樣頻率的要求。本電路設計采用線性光耦HCNR201，這種光耦不但可以較好地實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的隔離.而且線性度好，電路簡單，后端信號能比較真實的反映出前端信號的特征，圖4為流速儀信號處理接口電路。圖4流速儀信號處理接口電路光耦前端和后端的電源是獨立

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，這樣各種干擾信號就不會引入到光耦后端的系統(tǒng)，這在同時測多路流速儀信號過程中顯得尤為重要，以避免流速儀信號之間相互串擾。第一級運放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U1輸出電壓為VI,對于U2虛短原則可得:V1/V2,設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,此電路設計可以實現(xiàn)輸入與輸出的線性變化，經(jīng)過標定后可以準確測得輸入模擬電壓的值。4軟件設計4.1信號采集算法程序實現(xiàn)的

11、思想關鍵部分包括兩個部分:首先是測量流速儀信號的總時間，其次是檢測在測最過程中產(chǎn)生了幾個有效的流速儀信號。兩個工作是同時進行的，一旦檢測到采集到足夠的流速儀信號后就做信號周期計算，并將周期值發(fā)給上位機。判斷有效信號的方法是判斷信號的上升沿，一旦檢測到信號的上升沿就認為采集到一個有效脈沖。檢測信號的上升沿利用連續(xù)判斷采集信號的值來確定的。比如判斷如果連續(xù)采集到60個高點平就認為到達了信號的高電平區(qū)，這樣可以濾除意外的短干擾,避免誤觸發(fā)。程序設計中還有一個難點就是判斷測量點。因為程序是采用判斷上升沿的方法來判斷有效信號的個數(shù)的，因此在測量過程中從何時開始判斷有效信號和計時是個關鍵問題。程序進入測域

12、時首先判斷此時信號是處于高電平區(qū)還是低電平區(qū)，如果是高電平區(qū)，程序將一直檢測低電平。一旦程序檢測到低電平區(qū)，就等待信號的上升沿的到來。一旦第一個高電平信號來到就開始啟動判斷上升沿程序，并計時。當判斷到采集足夠數(shù)址的完整脈沖后就進行平均信號周期計算，并發(fā)送周期值給上位機。整套流速儀信號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,流速信號一直是處于導通狀態(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?shù)?，實際檢測中，流速儀信號出來的電壓范圍隨水阻的變化而變化，針對這個問題，本設計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行比較，如果電壓大于閾值就表明此時信號已經(jīng)

13、進入高電平區(qū)，需要將該數(shù)值進行儲存為后續(xù)的信號處理算法做準備。當采集電壓值小于閾值時表明采集到的是信號的低電平區(qū)，則根據(jù)程序算法設計只統(tǒng)計其低電平區(qū)采集點的個數(shù)，并不做進一步處理。動態(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。這一干擾對流圖5流速儀信號采集流程圖速儀信號的影響就是抬高信號的低電平，降低信號的高電平。流速儀信號是方波信號,低電平理論上應該為0,因此，信號的一個周期中，水電阻噪聲電壓必然最接近信號的最小電壓值。據(jù)此，可以通過檢測一個周期中信號電壓的最小值來預測噪聲電壓。算法中設定兩個變量MAX與MIN,MAX用于存放一個周期中檢測到的信號電壓的最大值,MIN

14、用于存放最小值。檢測完一個周期后，計算閾值，閾值=MIN+(MAXMIN)X20%。圖6為水電阻處理算法流程圖。使用默認MAX/MIN計算圖6水電阻處理算法流程圖在初次測雖時，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，再次測量時就可以不受水阻的影響，很準確地檢定出流速儀信號，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中心運行良好。5結語通過對流速儀信號分析，改進信號調(diào)理方式,簡化硬件電路，并對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，有效濾除抖動干擾，可靠性高的特點，具有良好的實用性，能夠滿足我國行業(yè)標

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

16、大學出版社,2005：132147李海波，林輝.線性光耦在電流采樣中的應用J.電子元器件應用,2004,9JPES,«OOvns.auc萬HPerformanceis9.93891c-006.1010:10”IO410'10'1325EpochsStopTraining（上接第164頁）為檢驗訓練仿真的效果數(shù)據(jù)。前四組數(shù)據(jù)目標值為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Lr的梯度下降算法進行訓練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訓練過程及誤差曲線如圖1所示。采用后兩組數(shù)進行仿真，結果為:0.0038,0.9960。跟實驗結果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)絡網(wǎng)絡訓練性能曲線訓練誤差性能曲線2)我們采用原始數(shù)據(jù)作為有自適應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)設置同上，訓練過程及誤差曲線如圖2所示。采用后兩組數(shù)據(jù)進行仿真，結果為0.0100.0.4010。在這種情況下不但仿真效果不明顯，而且訓練次數(shù)成倍數(shù)的增加,難以達到訓練要求。4結語針對由參數(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，我們采用對輸入樣本進行平移和相關性處理的神經(jīng)網(wǎng)絡診斷故障的方法,這種對輸入樣本進行處理的方法相對比較簡單易于實現(xiàn)，并可以解決訓練過程中出現(xiàn)震蕩，訓練速度慢的問題，提高了故障診斷的準確性和時效性。參考文獻1 高雋.人工神經(jīng)網(wǎng)絡原理及仿真實例M.北京：機械