CN101793493B - 电涡流传感器精度提升标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电涡流传感器精度提升标定方法，找到电涡流传感器满足要求的最优线性区间，对其进行精度标定，使电涡流传感器在满足要求的区间内达到高精度测量，同时所建立的数学模型达到最少的状态。本发明方法使用简便、稳定性高、可靠性强，同时最有很好的经济性，在提升传感器精度的前提下，最大限度的利用电涡流传感器已有的量程范围；最大区间段方法是简化了传感器误差修正过程，实现了使用最少的数学模型实现提高测量精度的目的。

Description

电涡流传感器精度提升标定方法

技术领域

本发明涉及一种传感器精度提升方法领域，具体涉及一种获取电涡流传感器最佳工作区间的精度提升标定方法。

背景技术

电涡流传感器是利用电涡流原理，通过传感器线圈与测量金属相对位置的不同引起传感器线圈电感、阻抗等变化，实现位移测量。电涡流传感器以其非接触式的测量方式、抗干扰力强、测量精度较高、动态响应好等优点，广泛应用于生产线上的高速运动状态的轴向、径向位移、动态位移等测量。但是电涡流探头温度的变化、电流的波动性及电磁场的复杂性，导致电涡流传感器测量精度达到微米极存在较大困难，商业用电涡流传感器标定方法是在电涡流传感器全量程范围内，参照微米级精度的测量仪，对电涡流传感器输出电压与测量位移值数据进行一次线性拟合，计算其标准方差获得传感器的实际精度。

目前商业用电涡流传感器精度通常为10μm，达到4μm以上精度时成本大幅提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电涡流传感器精度提升标定方法，避免现有技术所存在的不足之处，找到电涡流传感器满足要求的最优线性区间，对其进行精度标定，使电涡流传感器在满足要求的区间内达到高精度测量，同时所建立的数学模型达到最少的状态。

本发明的技术方案如下：

一种电涡流传感器精度提升标定方法，其特征在于：其方法具体包括以下步骤：

(1)、选择高精度测量仪器为参考标准对选用的电涡流传感器测量精度进行标定，即使用高精度测量仪器与电涡流传感器同时测量位移，即传感器与被测对象距离，以高精度测量仪器测量的位移值作为真值，与电涡流传感器测量的位移值进行比对，建立电涡流传感器输出电压变量与位移变量的函数关系，获得电涡流传感器的标定函数，并计算该标定函数的标准差，即该标定函数的误差参数；此时所选择的高精度测量仪器是针对所选用电涡流传感器所需标定达到的精度要求而定，精度测量仪器的精度大于选用的电涡流传感器所需标定达到精度的3至10倍；

(2)、在电涡流传感器工作区间，实时测量电涡流传感器位移值与输出电压量值，并建立以位移量为自变量、电压量为因变量的多组线性关系函数：V＝kx+b，式中V为电涡流传感器输出电压值，x为电涡流传感器实际所测位移值，b为常数，同时根据所测位移值与输出电压量数据对建立的线性关系函数进行误差计算，算出所建立的函数线性关系的标准差δ和最大偏差Δ；然后设定电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3...a(n)，先从电涡流传感器位移值的第一个数据采样点a1开始，选择前二个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a1，a2]内由点(a1，V1)，(a2，V2)拟合的线性关系函数：V₁₁＝k₁₁x+b₁₁；再从前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3开始，选择前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a1，a3]内由点(a1，V1)，(a2，V2)，(a3，V3)拟合的线性关系函数：V₁₂＝k₁₂x+b₁₂，依次类推，从全部的电涡流传感器位移值数据采样点a1、a2...a(n)开始，选择所有电涡流传感器位移值的采样点建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a1，a(n)]内由点(a1，V1)，(a2，V2)...(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_1n＝k_1nx+b_1n；

然后从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始，选择前二个电涡流传感器位移值的数据采样点a2、a3建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a2，a3]内由点(a2，V2)，(a3，V3)拟合的线性关系函数：V₂₁＝k₂₁x+b₂₁；再从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始的前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a2、a3、a4建立第二个线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a2，a4]内由点(a2，V2)，(a3，V3)，(a4，V4)拟合的线性关系函数：V₂₂＝k₂₂x+b₂₂，依次类推，建立全部的从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始，在区间[a2，a(n)]内由点(a2，V2)，(a3，V3)...(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_2n＝k_2nx+b_2n；

按照上述步骤，直至选择电涡流传感器位移值的最后二个数据采样点a(n-1)、a(n)建立出线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即由点(a(n-1)，V(n-1))，(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_nn＝k_nnx+b_nn，并根据需要，将所建立的所有的线性关系函数采用简单的线性最小二乘法进行拟合，同时对每个所建立的线性关系函数进行修正后的不确定度误差计算，得到所有线性关系函数的标准方差δ和最大偏差Δ的集合：[δ₁₁，δ₁₂，…，δ_1n，δ₂₁，δ₂₂，…，δ_nn]和[Δ₁₁，Δ₁₂，…，Δ_1n，Δ₂₁，Δ₂₂，…，Δ_nn]；

(3)、根据给定的误差范围，确定最佳工作区间：

按照上述计算结果和给定实际所需标定达到的精度之间的误差，选择出符合条件的各电压量区间作为电涡流传感器实际工作区间，并根据最小工作区间段数以及最大区间段的优选原则来确定最佳电压量工作区间，以达到提升电涡流传感器精度的目的；

最小工作区间段数的方法是：根据上述步骤建立的诸多线性关系函数及其误差范围，提供出符合修正后误差精度的、在全量程范围内能够实现最少区间段数的几种选择，根据需要进行取舍，如根据需要提供修正后的电涡流区间测量误差精度达到ξ，即所选区间的的标准方差

在与标准方差δ集合比较后，选择出符合标准方差的所有区间段，如果此时很多区间段出现重叠，则将出现重叠得区域划分到某一段区间，以减少区间段数，通过多次重叠区间不同的划分区间段尝试，以获得在符合误差条件的全量程区间内的最少区间段数；

最大区间段的优选原则是：给出包含最大数据量区间段的符合条件的各区间，便于在合适条件下选择单区间段使用单线性关系函数给予精度提升，方法是：在全量程范围内，根据需要提供修正后的电涡流区间测量误差精度达到ξ，即所选区间的的标准方差

在与标准方差δ集合比较后，选择出符合标准方差

的所有区间段，如果此时很多区间段出现重叠，则将出现重叠的区域划分到某一段区间，以获得在符合误差条件的全量程区间内的包含最大区间段的各区间。

本发明的有益效果：

(1)、本发明通过误差修正技术，根据最小工作区间段数及最大区间段的优选原则确定出电涡流传感器最佳工作区间，在不需要对目前商用电涡流传感器进行电子及机械结构改造的基础上实现了精度提升，其提升精度的本质原理是摒除传感器误差较大、稳定性较差的区间，以适应工程实际需要；

(2)、本发明最小工作区间段数方法是在提升传感器精度的前提下，最大限度的利用电涡流传感器已有的量程范围；最大区间段方法是简化了传感器误差修正过程，实现了使用最少的数学模型实现提高测量精度的目的；

(3)、本发明方法使用简便、稳定性高、可靠性强，同时最有很好的经济性，目前国外通过电子结构设计及误差补偿的方法在全量程范围内达到本方法修正后精度的电涡流传感器的价格是本发明修正用的国内商用电涡流传感器价格的10～20倍，因此本发明具有很好的性价比；

(4)、本发明具有通用性，类似的其它传感器如电容传感器、激光CCD测量系统等都可适用，具有很好的现实意义及工程实用价值。

具体实施方式

一种电涡流传感器精度提升标定方法，具体包括以下步骤：

(1)、选择高精度测量仪器为参考标准对选用的电涡流传感器测量精度进行标定，即使用高精度测量仪器与电涡流传感器同时测量位移，即传感器与被测对象距离，以高精度测量仪器测量的位移值作为真值，与电涡流传感器测量的位移值进行比对，建立电涡流传感器输出电压变量与位移变量的函数关系，获得电涡流传感器的标定函数，并计算该标定函数的标准差，即该标定函数的误差参数；此时所选择的高精度测量仪器是针对所选用电涡流传感器所需标定达到的精度要求而定，精度测量仪器的精度大于选用的电涡流传感器所需标定达到精度的3至10倍；

(2)、在电涡流传感器工作区间，实时测量电涡流传感器位移值与输出电压量值，并建立以位移量为自变量、电压量为因变量的多组线性关系函数：V＝kx+b，式中V为电涡流传感器输出电压值，x为电涡流传感器实际所测位移值，b为常数，同时根据所测位移值与输出电压量数据对建立的线性关系函数进行误差计算，算出所建立的函数线性关系的标准差δ和最大偏差Δ；然后设定电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3...a(n)，先从电涡流传感器位移值的第一个数据采样点a1开始，选择前二个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a1，a2]内由点(a1，V1)，(a2，V2)拟合的线性关系函数：V₁₁＝k₁₁x+b₁₁；再从前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3开始，选择前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a1，a3]内由点(a1，V1)，(a2，V2)，(a3，V3)拟合的线性关系函数：V₁₂＝k₁₂x+b₁₂，依次类推，从全部的电涡流传感器位移值数据采样点a1、a2...a(n)开始，选择所有电涡流传感器位移值的采样点建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a1，a(n)]内由点(a1，V1)，(a2，V2)...(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_1n＝k_1nx+b_1n；

然后从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始，选择前二个电涡流传感器位移值的数据采样点a2、a3建立线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a2，a3]内由点(a2，V2)，(a3，V3)拟合的线性关系函数：V₂₁＝k₂₁x+b₂₁；再从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始的前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a2、a3、a4建立第二个线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即在区间[a2，a4]内由点(a2，V2)，(a3，V3)，(a4，V4)拟合的线性关系函数：V₂₂＝k₂₂x+b₂₂，依次类推，建立全部的从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始，在区间[a2，a(n)]内由点(a2，V2)，(a3，V3)...(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_2n＝k_2nx+b_2n；

按照上述步骤，直至选择电涡流传感器位移值的最后二个数据采样点a(n-1)、a(n)建立出线性关系函数，即电压量与位移量的函数关系，即由点(a(n-1)，V(n-1))，(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_nn＝k_nnx+b_nn，并根据需要，将所建立的所有的线性关系函数采用简单的线性最小二乘法进行拟合，同时对每个所建立的线性关系函数进行修正后的不确定度误差计算，得到所有线性关系函数的标准方差δ和最大偏差Δ的集合：[δ₁₁，δ₁₂，…，δ_1n，δ₂₁，δ₂₂，…，δ_nn]和[Δ₁₁，Δ₁₂，…，Δ_1n，Δ₂₁，Δ₂₂，…，Δ_nn]；

(3)、根据给定的误差范围，确定最佳工作区间：

按照上述计算结果和给定实际所需标定达到的精度之间的误差，选择出符合条件的各电压量区间作为电涡流传感器实际工作区间，并根据最小工作区间段数以及最大区间段的优选原则来确定最佳电压量工作区间，以达到提升电涡流传感器精度的目的；

最小工作区间段数的方法是：根据上述步骤建立的诸多线性关系函数及其误差范围，提供出符合修正后误差精度的、在全量程范围内能够实现最少区间段数的几种选择，根据需要进行取舍，如根据需要提供修正后的电涡流区间测量误差精度达到ξ，即所选区间的的标准方差

在与标准方差δ集合比较后，选择出符合标准方差

的所有区间段，如果此时很多区间段出现重叠，则将出现重叠得区域划分到某一段区间，以减少区间段数，通过多次重叠区间不同的划分区间段尝试，以获得在符合误差条件的全量程区间内的最少区间段数；

最大区间段的优选原则是：给出包含最大数据量区间段的符合条件的各区间，便于在合适条件下选择单区间段使用单线性关系函数给予精度提升，方法是：在全量程范围内，根据需要提供修正后的电涡流区间测量误差精度达到ξ，即所选区间的的标准方差

在与标准方差δ集合比较后，选择出符合标准方差

的所有区间段，如果此时很多区间段出现重叠，则将出现重叠的区域划分到某一段区间，以获得在符合误差条件的全量程区间内的包含最大区间段的各区间。

以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明：

本实施例中，选用OD-900803-03-04-20-00型号的电涡流传感器，出厂指标是：

量程范围： 0.80～2.80mm； 标准灵敏度：2V/mm；

分辨率：   0.5μm；       测量精度：10μm；

电压：     24V。

1、选择高精度测量仪器为参考标准对电涡流传感器测量精度进行标定：

使用的标定测量仪器是亚微米电感传感器TESA ERONIC TT 80，测量精度为0.1μm，选用型号为USB5935的数据采集卡，采样频率500ks/s；选用钢作为测量对象，两种仪器同步进行测量，获得电感传感器位移值与电涡流传感器的电压变化量，对电涡流传感器标定要求是量程1mm，精度达到4μm，因为电涡流传感器的输出量是电压量，灵敏度为2V/mm，即：2mv/μm，而电涡流传感器的精度与标准差之间的关系为ξ＝±3δ，因此电涡流传感器要求最后拟合的标准差应低于0.667μm，即1.334mv；

测量时考虑到外界影响因素及噪音干扰，对单个位移量时电涡流传感器所测量数据前1000点平均值作为该点对应电压值，同时对于多次测量稳定性差的数据选择误差最大的数值，每25微米测量一次，在2mm量程范围内共测得电压值81

表1  2mm量程范围内共测得电压值、位移量

个，如表1所示。

2、建立各区间数学模型并计算其不确定度：

从第一点数据开始，依次与后各点组成区间，建立区间电压量与位移量函数关系并进行标准误差估计计算。如第一点800μm与后7个点的计算，采用最小二乘拟合法进行线性化计算，得函数式：y＝2.1233*x-697.6170，其标准方差为：δ＝0.3884mv；最大偏差为：Δ＝0.6058mv；依次类推，获得各区间相关函数式、标准方差及最大偏差值，如表2所示。

表2  各位移区间拟合数学模型的不确定度分析

3、根据给定的误差范围，确定最佳工作区间：

根据给定的标准方差1.334mv，依据最小区间数及最大区间段的原则进行优选；

依据最小区间段数区间原则选择的位移区间如表3所示：

表3  最小区间段数区间原则选择的位移区间

依据最大区间段原则选择的位移区间为[1150，2350]，如表4所示：

表4  最大区间段原则选择的位移区间

经比较分析，最小区间段数原则的区间精度虽然符合要求，但包含15段区间，有多个数学模型；而根据最大区间段原则选择的区间为[1150，2350]，量程为1.2mm，此时仅一段区间即可满足实际需求，便于实际应用，故选择最大区间段1150μm至2350μm为电涡流传感器工作区间；

根据电涡流传感器灵敏度2mV/μm特性，计算区间[1150，2350]精度标定后的标准方差δ，相当于：

1.3272(mv)/2(mv/μm)＝0.66μm＜0.667μm，

最大偏差Δ相当于：

3.1101(mv)/2(mv/μm)＝1.555μm，

此时电涡流传感器在区间[1150，2350]所达到的精度为ξ＝±3δ＝±1.98μm，比原有传感器精度提升2倍多。

Claims (1)

1.一种电涡流传感器精度提升标定方法，其特征在于：其方法具体包括以下步骤：

(1)、选择高精度测量仪器为参考标准对选用的电涡流传感器测量精度进行标定，即使用高精度测量仪器与电涡流传感器同时测量位移，即传感器与被测对象距离，以高精度测量仪器测量的位移值作为真值，与电涡流传感器测量的位移值进行比对，建立电涡流传感器输出电压变量与位移变量的函数关系，获得电涡流传感器的标定函数，并计算该标定函数的标准差，即该标定函数的误差参数；此时所选择的高精度测量仪器是针对所选用电涡流传感器所需标定达到的精度要求而定，精度测量仪器的精度大于选用的电涡流传感器所需标定达到精度的3至10倍；

(2)、在电涡流传感器工作区间，实时测量电涡流传感器位移值与输出电压量值，并建立以位移值为自变量、电压量为因变量的多组线性关系函数：V＝kx+b，式中V为电涡流传感器输出电压值，x为电涡流传感器实际所测位移值，b为常数，同时根据所测位移值与输出电压量值对建立的线性关系函数进行误差计算，算出所建立的函数线性关系的标准方差δ和最大偏差Δ；然后设定电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3...a(n)，先从电涡流传感器位移值的第一个数据采样点a1开始，选择前二个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2建立线性关系函数，即电压量与位移值的函数关系，即在区间[a1，a2]内由点(a1，V1)，(a2，V2)拟合的线性关系函数：V₁₁＝k₁₁x+b₁₁；再从前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3开始，选择前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a1、a2、a3建立线性关系函数，即电压量与位移值的函数关系，即在区间[a1，a3]内由点(a1，V1)，(a2，V2)，(a3，V3)拟合的线性关系函数：V₁₂＝k₁₂x+b₁₂，依次类推，从全部的电涡流传感器位移值数据采样点a1、a2...a(n)开始，选择所有电涡流传感器位移值的采样点建立线性关系函数，即电压量与位移值的函数关系，即在区间[a1，a(n)]内由点(a1，V1)，(a2，V2)...(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_1n＝k_1nx+b_1n；

然后从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始，选择前二个电涡流传感器位移值的数据采样点a2、a3建立线性关系函数，即电压量与位移值的函数关系，即在区间[a2，a3]内由点(a2，V2)，(a3，V3)拟合的线性关系函数：V₂₁＝k₂₁x+b₂₁；再从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始的前三个电涡流传感器位移值的数据采样点a2、a3、a4建立第二个线性关系函数，即电压量与位移值的函数关系，即在区间[a2，a4]内由点(a2，V2)，(a3，V3)，(a4，V4)拟合的线性关系函数：V₂₂＝k₂₂x+b₂₂，依次类推，建立全部的从电涡流传感器位移值的第二个数据采样点a2开始，在区间[a2，a(n)]内由点(a2，V2)，(a3，V3)...(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_2n＝k_2nx+b_2n；

按照上述步骤，直至选择电涡流传感器位移值的最后二个数据采样点a(n-1)、a(n)建立出线性关系函数，即电压量与位移值的函数关系，即由点(a(n-1)，V(n-1))，(a(n)，V(n))拟合的线性关系函数：V_nn＝k_nnx+b_nn，并根据需要，将所建立的所有的线性关系函数采用简单的线性最小二乘法进行拟合，同时对每个所建立的线性关系函数进行修正后的不确定度误差计算，得到所有线性关系函数的标准方差δ和最大偏差Δ的集合：[δ₁₁，δ₁₂，…，δ_1n，δ₂₁，δ₂₂，…，δ_nn]和[Δ₁₁，Δ₁₂，…，Δ_1n，Δ₂₁，Δ₂₂，…，Δ_nn]；

(3)、根据给定的误差范围，确定最佳工作区间：

按照上述计算结果和给定实际所需标定达到的精度之间的误差，选择出符合条件的各电压量区间作为电涡流传感器实际工作区间，并根据最小工作区间段数以及最大区间段的优选原则来确定最佳电压量工作区间，以达到提升电涡流传感器精度的目的；

最小工作区间段数的方法是：根据上述步骤建立的诸多线性关系函数及其误差范围，提供出符合修正后误差精度的、在全量程范围内能够实现最少区间段数的几种选择，根据需要进行取舍，如根据需要提供修正后的电涡流区间测量误差精度达到ξ，即所选区间的的标准方差

在与标准方差δ集合比较后，选择出符合标准方差

的所有区间段，如果此时很多区间段出现重叠，则将出现重叠得区域划分到某一段区间，以减少区间段数，通过多次重叠区间不同的划分区间段尝试，以获得在符合误差条件的全量程区间内的最少区间段数；

最大区间段的优选原则是：给出包含最大数据量区间段的符合条件的各区间，便于在合适条件下选择单区间段使用单线性关系函数给予精度提升，方法是：在全量程范围内，根据需要提供修正后的电涡流区间测量误差精度达到ξ，即所选区间的的标准方差

在与标准方差δ集合比较后，选择出符合标准方差

的所有区间段，如果此时很多区间段出现重叠，则将出现重叠的区域划分到某一段区间，以获得在符合误差条件的全量程区间内的包含最大区间段的各区间。