專利名稱：：電渦流傳感器精度提升標定方法
技術領域：
：本發明涉及一種傳感器精度提升方法領域，具體涉及一種獲取電渦流傳感器最佳工作區間的精度提升標定方法。
背景技術：
：電渦流傳感器是利用電渦流原理，通過傳感器線圈與測量金屬相對位置的不同引起傳感器線圈電感、阻抗等變化，實現位移測量。電渦流傳感器以其非接觸式的測量方式、抗干擾力強、測量精度較高、動態響應好等優點，廣泛應用于生產線上的高速運動狀態的軸向、徑向位移、動態位移等測量。但是電渦流探頭溫度的變化、電流的波動性及電磁場的復雜性，導致電渦流傳感器測量精度達到微米極存在較大困難，商業用電渦流傳感器標定方法是在電渦流傳感器全量程范圍內，參照微米級精度的測量儀，對電渦流傳感器輸出電壓與測量位移值數據進行一次線性擬合，計算其標準方差獲得傳感器的實際精度。目前商業用電渦流傳感器精度通常為10iim，達到4iim以上精度時成本大幅提升。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種電渦流傳感器精度提升標定方法，避免現有技術所存在的不足之處，找到電渦流傳感器滿足要求的最優線性區間，對其進行精度標定，使電渦流傳感器在滿足要求的區間內達到高精度測量，同時所建立的數學模型達到最少的狀態。本發明的技術方案如下—種電渦流傳感器精度提升標定方法，其特征在于其方法具體包括以下步驟(1)、選擇高精度測量儀器為參考標準對選用的電渦流傳感器測量精度進行標定，即使用高精度測量儀器與電渦流傳感器同時測量位移，即傳感器與被測對象距離，以高精度測量儀器測量的位移值作為真值，與電渦流傳感器測量的位移值進行比對，建立電渦流傳感器輸出電壓變量與位移變量的函數關系，獲得電渦流傳感器的標定函數，并計算該標定函數的標準差，即該標定函數的誤差參數；此時所選擇的高精度測量儀器是針對所選用電渦流傳感器所需標定達到的精度要求而定，精度測量儀器的精度大于選用的電渦流傳感器所需標定達到精度的3至10倍；(2)、在電渦流傳感器工作區間，實時測量電渦流傳感器位移值與輸出電壓量值，并建立以位移量為自變量、電壓量為因變量的多組線性關系函數V=kx+b，式中V為電渦流傳感器輸出電壓值，x為電渦流傳感器實際所測位移值，b為常數，同時根據所測位移值與輸出電壓量數據對建立的線性關系函數進行誤差計算，算出所建立的函數線性關系的標準差S和最大偏差A;然后設定電渦流傳感器位移值的數據采樣點31、32、&3...3(11)，先從電渦流傳感器位移值的第一個數據采樣點al開始，選擇前二個電渦流傳感器位移值的數據采樣點al、a2建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[al，a2]內由點(al，VI)，(a2，V2)擬合的線性關系函數V^=kux+bu;再從前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點al、a2、a3開始，選擇前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點al、a2、a3建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[al，a3]內由點(al，VI)，(a2，V2)，(a3，V3)擬合的線性關系函數V12=k12x+b12，依次類推，從全部的電渦流傳感器位移值數據采樣點al、a2...a(n)開始，選擇所有電渦流傳感器位移值的采樣點建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[al，a(n)]內由點(al，Vl)，(a2，V2)...(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數Vln=klnx+bln;然后從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始，選擇前二個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a2、a3建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a2，a3]內由點(a2，V2)，(a3，V3)擬合的線性關系函數V21=k21x+b21;再從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始的前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a2、a3、a4建立第二個線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a2，a4]內由點(a2，V2)，(a3，V3)，(a4，V4)擬合的線性關系函數:V22=k22x+b22，依次類推，建立全部的從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始，在區間[a2，a(n)]內由點(a2，V2)，(a3，V3)...(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數V2n=k2nx+b2n;按照上述步驟，直至選擇電渦流傳感器位移值的最后二個數據采樣點a(n-l)、a(n)建立出線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即由點(a(n-l)，V(n-l))，(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數Vm=kmx+bm，并根據需要，將所建立的所有的線性關系函數采用簡單的線性最小二乘法進行擬合，同時對每個所建立的線性關系函數進行修正后的不確定度誤差計算，得到所有線性關系函數的標準方差S和最大偏差A的集合[Su，S12，...，Sln，S21，S22，...，Sm]禾口[An，A12，...，Aln，A21，A22，...，Am];(3)、根據給定的誤差范圍，確定最佳工作區間按照上述計算結果和給定實際所需標定達到的精度之間的誤差，選擇出符合條件的各電壓量區間作為電渦流傳感器實際工作區間，并根據最小工作區間段數以及最大區間段的優選原則來確定最佳電壓量工作區間，以達到提升電渦流傳感器精度的目的；最小工作區間段數的方法是根據上述步驟建立的諸多線性關系函數及其誤差范圍，提供出符合修正后誤差精度的、在全量程范圍內能夠實現最少區間段數的幾種選擇，根據需要進行取舍，如根據需要提供修正后的電渦流區間測量誤差精度達到l，即所選區間的的標準方差^^f，在與標準方差s集合比較后，選擇出符合標準方差^^4的所有區間66段，如果此時很多區間段出現重疊，則將出現重疊得區域劃分到某一段區間，以減少區間段數，通過多次重疊區間不同的劃分區間段嘗試，以獲得在符合誤差條件的全量程區間內的最少區間段數；最大區間段的優選原則是給出包含最大數據量區間段的符合條件的各區間，便于在合適條件下選擇單區間段使用單線性關系函數給予精度提升，方法是在全量程范圍內，根據需要提供修正后的電渦流區間測量誤差精度達到l，即所選區間的的標準方差f《4，在與標準方差s集合比較后，選擇出符合標準方差5'《4的所有區間段，如果此時很多區間段出現重疊，則將出現重疊的區域劃分到某一段區間，以獲得在符合誤差條件的全量程區間內的包含最大區間段的各區間。本發明的有益效果(1)、本發明通過誤差修正技術，根據最小工作區間段數及最大區間段的優選原則確定出電渦流傳感器最佳工作區間，在不需要對目前商用電渦流傳感器進行電子及機械結構改造的基礎上實現了精度提升，其提升精度的本質原理是摒除傳感器誤差較大、穩定性較差的區間，以適應工程實際需要；(2)、本發明最小工作區間段數方法是在提升傳感器精度的前提下，最大限度的利用電渦流傳感器已有的量程范圍；最大區間段方法是簡化了傳感器誤差修正過程，實現了使用最少的數學模型實現提高測量精度的目的；(3)、本發明方法使用簡便、穩定性高、可靠性強，同時最有很好的經濟性，目前國外通過電子結構設計及誤差補償的方法在全量程范圍內達到本方法修正后精度的電渦流傳感器的價格是本發明修正用的國內商用電渦流傳感器價格的1020倍，因此本發明具有很好的性價比；(4)、本發明具有通用性，類似的其它傳感器如電容傳感器、激光CCD測量系統等都可適用，具有很好的現實意義及工程實用價值。具體實施例方式—種電渦流傳感器精度提升標定方法，具體包括以下步驟(1)、選擇高精度測量儀器為參考標準對選用的電渦流傳感器測量精度進行標定，即使用高精度測量儀器與電渦流傳感器同時測量位移，即傳感器與被測對象距離，以高精度測量儀器測量的位移值作為真值，與電渦流傳感器測量的位移值進行比對，建立電渦流傳感器輸出電壓變量與位移變量的函數關系，獲得電渦流傳感器的標定函數，并計算該標定函數的標準差，即該標定函數的誤差參數；此時所選擇的高精度測量儀器是針對所選用電渦流傳感器所需標定達到的精度要求而定，精度測量儀器的精度大于選用的電渦流傳感器所需標定達到精度的3至10倍；(2)、在電渦流傳感器工作區間，實時測量電渦流傳感器位移值與輸出電壓量值，并建立以位移量為自變量、電壓量為因變量的多組線性關系函數V=kx+b，式中V為電渦流傳感器輸出電壓值，x為電渦流傳感器實際所測位移值，b為常數，同時根據所測位移值與輸出電壓量數據對建立的線性關系函數進行誤差計算，算出所建立的函數線性關系的標準差S和最大偏差A;然后設定電渦流傳感器位移值的數據采樣點31、32、&3...3(11)，先從電渦流傳感器位移值的第一個數據采樣點al開始，選擇前二個電渦流傳感器位移值的數據采樣點al、a2建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[al，a2]內由點(al，VI)，(a2，V2)擬合的線性關系函數V^=kux+bu;再從前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點al、a2、a3開始，選擇前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點al、a2、a3建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[al，a3]內由點(al，VI)，(a2，V2)，(a3，V3)擬合的線性關系函數V12=k12x+b12，依次類推，從全部的電渦流傳感器位移值數據采樣點al、a2...a(n)開始，選擇所有電渦流傳感器位移值的采樣點建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[al，a(n)]內由點(al，Vl)，(a2，V2)...(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數Vln=klnx+bln;然后從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始，選擇前二個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a2、a3建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a2，a3]內由點(a2，V2)，(a3，V3)擬合的線性關系函數V21=k21x+b21;再從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始的前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a2、a3、a4建立第二個線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a2，a4]內由點(a2，V2)，(a3，V3)，(a4，V4)擬合的線性關系函數:V22=k22x+b22，依次類推，建立全部的從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始，在區間[a2，a(n)]內由點(a2，V2)，(a3，V3)...(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數V2n=k2nx+b2n;按照上述步驟，直至選擇電渦流傳感器位移值的最后二個數據采樣點a(n-l)、a(n)建立出線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即由點(a(n-l)，V(n-l))，(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數Vm=kmx+bm，并根據需要，將所建立的所有的線性關系函數采用簡單的線性最小二乘法進行擬合，同時對每個所建立的線性關系函數進行修正后的不確定度誤差計算，得到所有線性關系函數的標準方差S和最大偏差A的集合[Su，S12，...，Sln，S21，S22，...，Sm]禾口[An，A12，...，Aln，A21，A22，...，Am];(3)、根據給定的誤差范圍，確定最佳工作區間按照上述計算結果和給定實際所需標定達到的精度之間的誤差，選擇出符合條件的各電壓量區間作為電渦流傳感器實際工作區間，并根據最小工作區間段數以及最大區間段的優選原則來確定最佳電壓量工作區間，以達到提升電渦流傳感器精度的目的；最小工作區間段數的方法是根據上述步驟建立的諸多線性關系函數及其誤差范圍，提供出符合修正后誤差精度的、在全量程范圍內能夠實現最少區間段數的幾種選擇，根據需要進行取舍，如根據需要提供修正后的電渦流區間測量誤差精度達到l，即所選區間的的標準方差^'《4，在與標準方差s集合比較后，選擇出符合標準方差^^l的所有區間段，如果此時很多區間段出現重疊，則將出現重疊得區域劃分到某一段區間，以減少區間段數，通過多次重疊區間不同的劃分區間段嘗試，以獲得在符合誤差條件的全量程區間內的最少區間段數；最大區間段的優選原則是給出包含最大數據量區間段的符合條件的各區間，便于在合適條件下選擇單區間段使用單線性關系函數給予精度提升，方法是在全量程范圍內，根據需要提供修正后的電渦流區間測量誤差精度達到l，即所選區間的的標準方差^^4，在與標準方差S集合比較后，選擇出符合標準方差^《|的所有區間段，如果此時很多區間段出現重疊，則將出現重疊的區域劃分到某一段區間，以獲得在符合誤差條件的全量程區間內的包含最大區間段的各區間。以下通過具體實施方式對本發明作進一步說明本實施例中，選用0D-900803-03-04-20-00型號的電渦流傳感器，出廠指標是量程范圍0.802.80mm;標準靈敏度2V/mm;分辨率0.5iim;測量精度10iim;電壓24V。1、選擇高精度測量儀器為參考標準對電渦流傳感器測量精度進行標定使用的標定測量儀器是亞微米電感傳感器TESAERONICTT80，測量精度為0.1iim，選用型號為USB5935的數據采集卡，采樣頻率500ks/s;選用鋼作為測量對象，兩種儀器同步進行測量，獲得電感傳感器位移值與電渦流傳感器的電壓變化量，對電渦流傳感器標定要求是量程lmm，精度達到4iim，因為電渦流傳感器的輸出量是電壓量，靈敏度為2V/mm，S卩2mv/iim，而電渦流傳感器的精度與標準差之間的關系為《=±35，因此電渦流傳感器要求最后擬合的標準差應低于0.667iim，即1.334mv;測量時考慮到外界影響因素及噪音干擾，對單個位移量時電渦流傳感器所測量數據前1000點平均值作為該點對應電壓值，同時對于多次測量穩定性差的數據選擇誤差最大的數值，每25微米測量一次，在2mm量程范圍內共測得電壓值81表l2mm量程范圍內共測得電壓值、位移量位移量800825850875900925950975電壓量:(mv)1000.491054.071107.651160.521213.331266.571319.841371.99個，如表l所示。2、建立各區間數學模型并計算其不確定度從第一點數據開始，依次與后各點組成區間，建立區間電壓量與位移量函數關系并進行標準誤差估計計算。如第一點800ym與后7個點的計算，采用最小二乘擬合法進行線性化計算，得函數式:y=2.1233*x-697.6170，其標準方差為S=0.3884mv;最大偏差為A=0.6058mv;依次類推，獲得各區間相關函數式、標準方差及最大偏差值，如表2所不。表2各位移區間擬合數學模型的不確定度分析<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>3、根據給定的誤差范圍，確定最佳工作區間根據給定的標準方差1.334mv，依據最小區間數及最大區間段的原則進行優選；依據最小區間段數區間原則選擇的位移區間如表3所示表3最小區間段數區間原則選擇的位移區間<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>依據最大區間段原則選擇的位移區間為[1150,2350]，如表4所示表4最大區間段原則選擇的位移區間<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>經比較分析，最小區間段數原則的區間精度雖然符合要求，但包含15段區間，有多個數學模型；而根據最大區間段原則選擇的區間為[1150，2350]，量程為1.2mm，此時僅一段區間即可滿足實際需求，便于實際應用，故選擇最大區間段1150iim至2350ym為電渦流傳感器工作區間；根據電渦流傳感器靈敏度2mV/iim特性，計算區間[1150,2350]精度標定后的標準方差S，相當于1.3272(mv)/2(mv/iim)=0.66iim<0.667iim，最大偏差A相當于3.1101(mv)/2(mv/um)=1.555um，此時電渦流傳感器在區間[1150，2350]所達到的精度為l=±3S=±1.98i！m，比原有傳感器精度提升2倍多。權利要求一種電渦流傳感器精度提升標定方法，其特征在于其方法具體包括以下步驟(1)、選擇高精度測量儀器為參考標準對選用的電渦流傳感器測量精度進行標定，即使用高精度測量儀器與電渦流傳感器同時測量位移，即傳感器與被測對象距離，以高精度測量儀器測量的位移值作為真值，與電渦流傳感器測量的位移值進行比對，建立電渦流傳感器輸出電壓變量與位移變量的函數關系，獲得電渦流傳感器的標定函數，并計算該標定函數的標準差，即該標定函數的誤差參數；此時所選擇的高精度測量儀器是針對所選用電渦流傳感器所需標定達到的精度要求而定，精度測量儀器的精度大于選用的電渦流傳感器所需標定達到精度的3至10倍；(2)、在電渦流傳感器工作區間，實時測量電渦流傳感器位移值與輸出電壓量值，并建立以位移量為自變量、電壓量為因變量的多組線性關系函數V＝kx+b，式中V為電渦流傳感器輸出電壓值，x為電渦流傳感器實際所測位移值，b為常數，同時根據所測位移值與輸出電壓量數據對建立的線性關系函數進行誤差計算，算出所建立的函數線性關系的標準差δ和最大偏差Δ；然后設定電渦流傳感器位移值的數據采樣點a1、a2、a3...a(n)，先從電渦流傳感器位移值的第一個數據采樣點a1開始，選擇前二個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a1、a2建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a1，a2]內由點(a1，V1)，(a2，V2)擬合的線性關系函數V11＝k11x+b11；再從前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a1、a2、a3開始，選擇前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a1、a2、a3建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a1，a3]內由點(a1，V1)，(a2，V2)，(a3，V3)擬合的線性關系函數V12＝k12x+b12，依次類推，從全部的電渦流傳感器位移值數據采樣點a1、a2...a(n)開始，選擇所有電渦流傳感器位移值的采樣點建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a1，a(n)]內由點(a1，V1)，(a2，V2)...(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數V1n＝k1nx+b1n；然后從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始，選擇前二個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a2、a3建立線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a2，a3]內由點(a2，V2)，(a3，V3)擬合的線性關系函數V21＝k21x+b21；再從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始的前三個電渦流傳感器位移值的數據采樣點a2、a3、a4建立第二個線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即在區間[a2，a4]內由點(a2，V2)，(a3，V3)，(a4，V4)擬合的線性關系函數V22＝k22x+b22，依次類推，建立全部的從電渦流傳感器位移值的第二個數據采樣點a2開始，在區間[a2，a(n)]內由點(a2，V2)，(a3，V3)...(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數V2n＝k2nx+b2n；按照上述步驟，直至選擇電渦流傳感器位移值的最后二個數據采樣點a(n-1)、a(n)建立出線性關系函數，即電壓量與位移量的函數關系，即由點(a(n-1)，V(n-1))，(a(n)，V(n))擬合的線性關系函數Vnn＝knnx+bnn，并根據需要，將所建立的所有的線性關系函數采用簡單的線性最小二乘法進行擬合，同時對每個所建立的線性關系函數進行修正后的不確定度誤差計算，得到所有線性關系函數的標準方差δ和最大偏差Δ的集合[δ11，δ12，…，δ1n，δ21，δ22，…，δnm]和[Δ11，Δ12，…，Δ1n，Δ21，Δ22，…，Δnn]；(3)、根據給定的誤差范圍，確定最佳工作區間按照上述計算結果和給定實際所需標定達到的精度之間的誤差，選擇出符合條件的各電壓量區間作為電渦流傳感器實際工作區間，并根據最小工作區間段數以及最大區間段的優選原則來確定最佳電壓量工作區間，以達到提升電渦流傳感器精度的目的；最小工作區間段數的方法是根據上述步驟建立的諸多線性關系函數及其誤差范圍，提供出符合修正后誤差精度的、在全量程范圍內能夠實現最少區間段數的幾種選擇，根據需要進行取舍，如根據需要提供修正后的電渦流區間測量誤差精度達到ξ，即所選區間的的標準方差在與標準方差δ集合比較后，選擇出符合標準方差的所有區間段，如果此時很多區間段出現重疊，則將出現重疊得區域劃分到某一段區間，以減少區間段數，通過多次重疊區間不同的劃分區間段嘗試，以獲得在符合誤差條件的全量程區間內的最少區間段數；最大區間段的優選原則是給出包含最大數據量區間段的符合條件的各區間，便于在合適條件下選擇單區間段使用單線性關系函數給予精度提升，方法是在全量程范圍內，根據需要提供修正后的電渦流區間測量誤差精度達到ξ，即所選區間的的標準方差在與標準方差δ集合比較后，選擇出符合標準方差的所有區間段，如果此時很多區間段出現重疊，則將出現重疊的區域劃分到某一段區間，以獲得在符合誤差條件的全量程區間內的包含最大區間段的各區間。FSA00000064193400021.tif,FSA00000064193400022.tif,FSA00000064193400031.tif,FSA00000064193400032.tif全文摘要本發明公開了一種電渦流傳感器精度提升標定方法，找到電渦流傳感器滿足要求的最優線性區間，對其進行精度標定，使電渦流傳感器在滿足要求的區間內達到高精度測量，同時所建立的數學模型達到最少的狀態。本發明方法使用簡便、穩定性高、可靠性強，同時最有很好的經濟性，在提升傳感器精度的前提下，最大限度的利用電渦流傳感器已有的量程范圍；最大區間段方法是簡化了傳感器誤差修正過程，實現了使用最少的數學模型實現提高測量精度的目的。文檔編號G01D5/14GK101793493SQ20101013488公開日2010年8月4日申請日期2010年3月25日優先權日2010年3月25日發明者王鑫,苗恩銘,顏炎申請人:合肥工業大學
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