專利名稱：一種非介入式壓力測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非介入式壓力測量方法，屬于壓力測量技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
液壓系統(tǒng)具有靈活、力放大、運行平穩(wěn)、安全等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的各種機 械設(shè)備中。作為復(fù)雜主系統(tǒng)的子系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的故障將會直接導(dǎo)致主系統(tǒng)的故障和失效， 從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。作為提高液壓系統(tǒng)安全可靠性的途徑之一，液壓系統(tǒng)的壓力測 量技術(shù)一直受到使用者的重視。傳統(tǒng)的壓力測量方法主要采用測壓儀表或壓力傳感器，感壓元件必須和待測介質(zhì) 相接觸，以便直接反映壓力。該類方法技術(shù)成熟、設(shè)備成本較低，但存在測量接口有限、拆裝 困難、易造成事故，且破壞了管道系統(tǒng)的完整性及管內(nèi)流場，對壓力測量的準(zhǔn)確性和精度造 成無法預(yù)知的影響，嚴(yán)重制約液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障快速定位的發(fā)展。隨著液壓技術(shù) 朝著大功率、高效率、高度集成化等方向的不斷發(fā)展及比例控制、伺服控制、數(shù)字控制的不 斷完善，傳統(tǒng)的介入式測量方法難已滿足現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的要求，非介入式壓力測量方法必 然是未來發(fā)展趨勢。目前，對于管道壓力的非介入式測量，有兩種思路一是根據(jù)液體壓力作用下管道 徑向產(chǎn)生彈性變形的基本原理，通過檢測管道外徑變形量解算出管道內(nèi)部工作壓力。這種 基于管道彈性變形特性的非介入式壓力檢測方法，其性能受到管道變形特性的制約。如外 徑為15mm、壁厚為3mm的鋼管，當(dāng)內(nèi)部油壓達(dá)25MPa時，其外徑變形只有幾微米。另一種是 利用檢測源提供檢測介質(zhì)，與被檢對象作用，使檢測介質(zhì)的參數(shù)隨被檢物體狀態(tài)變化，從而 產(chǎn)生多種信號，通過對某些信號的檢測、實現(xiàn)壓力測量。這種測量方式的代表是超聲波方 法，常用的超聲測壓方法有傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法和流動超聲法等。對超聲測壓，超聲波首先通過管內(nèi)介質(zhì)，再經(jīng)管道內(nèi)側(cè)反射后，穿過介質(zhì)被接收探 頭接收，能量損失很大，而且，如果流體中有氣泡或管道內(nèi)壁表面粗糙，都會使得接收探頭 很難接收到理想的信號。對小管徑管道而言，單位壓力和溫度變化引起的超聲波傳播時間 的變化量非常小，由于管道尺寸及裝置的能量問題，超聲波傳播距離受到限制，測量時總的 傳播時間不可能設(shè)置得很大，因此使用超聲方法測量壓力時，要求時間測量裝置的精度達(dá) 到微秒級，而且由于采集得到的超聲信號又受到各種噪聲的干擾，能否精確的測量超聲波 傳播時間的變化量是超聲測壓成功的關(guān)鍵，故現(xiàn)有的壓力檢測方法僅適合大管徑、大流量 場合。對小管徑液壓管道的非介入式壓力測量而言，本發(fā)明人提出了一種基于電容法的 非介入式壓力測量方法(見參考文獻(xiàn)1黃姣英，袁海文，安晨亮等.一種電容非介入式 壓力測量方法研究.儀器儀表學(xué)報，2009，30 (8) :1773-1777)，從理論上驗證了基于電容法 的非介入式壓力測量的可行性。然而，對電容法測壓而言，參考文獻(xiàn)1壓力測量精度不高，僅側(cè)重于對測量機理 的研究，實驗部分也只是對理論環(huán)節(jié)的初步驗證，距離工程實際應(yīng)用還存在一定的差距。
對非介入式超聲波壓力測量而言，由于管道管徑小，單位壓力和溫度變化引起的 超聲波傳播時間的變化量非常小，超聲波傳播距離受到限制，測量時總的傳播時間不可能 設(shè)置得很大，而且由于采集得到的超聲信號又受到各種噪聲的干擾，此外，超聲波傳播速度 受溫度、流速及流體特性等影響，這些參數(shù)之間的關(guān)系十分復(fù)雜，無確定的數(shù)學(xué)公式描述， 其機理模型尚處在研究中，這些均導(dǎo)致了現(xiàn)有小管徑超聲測壓法的精度不高。因此，現(xiàn)有的 非介入式超聲波壓力檢測方法不適合管徑小的液壓系統(tǒng)。雖然，參考文獻(xiàn)1從理論上驗證了基于電容法的非介入式壓力測量的可行性。然 而，壓力測量精度不高，距離工程實際應(yīng)用還存在一定的差距。這是因為電容測量系統(tǒng)中 總的雜散電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的靜態(tài)電容值，且雜散電容隨溫度、結(jié)構(gòu)、位置、內(nèi)外電場分布 及器件的選取等諸多因素的影響而變化，使得被測信號往往淹沒在干擾信號中，壓力測量 精度不高。此外，傳感器不僅受某個環(huán)境參量的影響，即不只受一個非目標(biāo)參量的影響，有時 甚至受多個非目標(biāo)參量的影響。為了提高傳感器的穩(wěn)定性，消除非目標(biāo)參量對傳感器輸入 輸出特性的影響，可采用多維回歸分析法。然而，多維回歸分析法存在如下不足為消除K 個非目標(biāo)參量的影響，需建立(K+1)維回歸方程，進(jìn)行(K+1)維標(biāo)定實驗，并求解大規(guī)模的 矩陣方程，且在某些實際的工程測試中，達(dá)不到所需的測試準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是為了提供一種非介入式壓力測量方法，它能解決小管徑 管道液壓系統(tǒng)的壓力非介入式測量及測量精度不高等問題。2、技術(shù)方案本發(fā)明要解決的問題是，針對小管徑管道的液壓系統(tǒng)，基于電容法和 數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)壓力的非介入式測量，為小管徑液壓系統(tǒng)的在線壓力測量提供一種新的方 法。本發(fā)明一種非介入式壓力測量方法，它包括以下步驟步驟一搭建實驗平臺。該平臺由溫度傳感器，電容傳感器，多路復(fù)用器1、2、3，可 編程放大器，可編程電源1、2，電壓頻率轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號處理器，放大電路、放大濾波、鍵盤 顯示器和串口組成。它們之間的位置連接關(guān)系是溫度傳感器連接多路復(fù)用器1，多路復(fù)用 器1的輸出經(jīng)放大電路后輸入到多路復(fù)用器3，電容傳感器連接多路復(fù)用器2，多路復(fù)用器 2的輸出經(jīng)可編程放大器后輸入到多路復(fù)用器3，多路復(fù)用器3的輸出經(jīng)放大濾波電路后輸 入到電壓頻率轉(zhuǎn)換器，電壓頻率轉(zhuǎn)換器連接到數(shù)字信號處理器。數(shù)字信號處理器分別控制 可編程電源1、2和多路復(fù)用器1、2、3，可編程電源1控制多路復(fù)用器1，可編程電源2控制 多路復(fù)用器2，數(shù)字信號處理器分別輸入到串口和鍵盤顯示器。相應(yīng)的平臺硬件結(jié)構(gòu)如附圖
5所示。步驟二 收集實驗數(shù)據(jù)即收集電容測量電路的輸出電壓和溫度輸出電壓，分別建 立測試樣本庫和訓(xùn)練樣本庫。分別選擇不同溫度，如20.2°C和32. 1°C。保持溫度不變，壓 力從OMpa開始，以IMpa為間隔遞增，最高加壓到13Mpa，每個壓力點采集100個值做為一個 測量列，共14個測量列，并計算相應(yīng)列的平均值，如表1所示。步驟三訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型。步驟二中建立的訓(xùn)練樣本庫中的訓(xùn)練樣本被送入函數(shù)型 連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FLANN)并計算相應(yīng)的輸出結(jié)果，接著，根據(jù)采用的學(xué)習(xí)算法(如BP算法等)計算FLANN的權(quán)值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差達(dá)到預(yù)定最小值時，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成。相應(yīng)的FLANN 權(quán)值保存到DSP即數(shù)字信號處理器，用來測試所建數(shù)據(jù)融合模型的性能。為了消除冗余成 分，加速收斂速度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入輸出數(shù)值應(yīng)是歸一化的數(shù)值，即在一 1和1之間。為此，依 據(jù)如下歸一化公式實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理
權(quán)利要求
1.本發(fā)明一種非介入式壓力測量方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一搭建實驗平臺；該平臺由溫度傳感器，電容傳感器，多路復(fù)用器，多路復(fù)用器 1、2、3，可編程放大器，可編程電源1、2，電壓頻率轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號處理器，放大電路、放大 濾波電路、鍵盤顯示器和串口組成，溫度傳感器連接多路復(fù)用器1，多路復(fù)用器1的輸出經(jīng) 放大電路后輸入到多路復(fù)用器3，電容傳感器連接多路復(fù)用器2，多路復(fù)用器2的輸出經(jīng)可 編程放大器后輸入到多路復(fù)用器3，多路復(fù)用器3的輸出經(jīng)放大濾波電路后輸入到電壓頻 率轉(zhuǎn)換器，電壓頻率轉(zhuǎn)換器連接到數(shù)字信號處理器。數(shù)字信號處理器分別控制可編程電源 1、2和多路復(fù)用器1、2、3，可編程電源1控制多路復(fù)用器1，可編程電源2控制多路復(fù)用器 2，數(shù)字信號處理器分別輸入到串口和鍵盤顯示器；步驟二 收集實驗數(shù)據(jù)即收集電容測量電路的輸出電壓和溫度輸出電壓，分別建立測 試樣本庫和訓(xùn)練樣本庫；分別選擇不同溫度并保持溫度不變，壓力從OMpa開始，以IMpa為 間隔遞增，最高加壓到13Mpa，每個壓力點采集100個值做為一個測量列，共14個測量列，并 計算相應(yīng)列的平均值；步驟三訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型；步驟二中建立的訓(xùn)練樣本庫中的訓(xùn)練樣本被送入函數(shù)型連接 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即FLANN并計算相應(yīng)的輸出結(jié)果，接著，根據(jù)采用的學(xué)習(xí)算法計算FLANN的權(quán)值； 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的輸出誤差達(dá)到預(yù)定最小值時，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完成；相應(yīng)的FLANN權(quán)值保存到DSP即數(shù)字 信號處理器，用來測試所建數(shù)據(jù)融合模型的性能；為了消除冗余成分，加速收斂速度，神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)輸入輸出數(shù)值應(yīng)是歸一化的數(shù)值，即在一 1和1之間；為此，依據(jù)如下歸一化公式實驗 數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理
全文摘要
本發(fā)明一種非介入式壓力測量方法，它包括五大步驟。步驟一搭建實驗平臺；步驟二收集實驗數(shù)據(jù)，分別建立測試樣本庫和訓(xùn)練樣本庫；步驟三訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型；步驟四測試網(wǎng)絡(luò)模型；步驟五壓力在線測量。本發(fā)明基于電容法和數(shù)據(jù)融合，能消除環(huán)境溫度等影響，提高了壓力測量的準(zhǔn)確性和可靠性，實現(xiàn)壓力的非介入式測量，為小管徑液壓系統(tǒng)的在線壓力測量提供一種新的方法。它在液壓系統(tǒng)的壓力測量技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01L19/04GK102141455SQ20101058156
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者王香芬, 高成, 鹿靖, 黃姣英 申請人:北京航空航天大學(xué)