CN106197239B - 电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法及实现装置 - Google Patents

电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法及实现装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法及实现装置，通过测量电感调频式位移传感器的温度‑位移‑频率数据，解算模型参数，建立对应该电感调频式位移传感器个体的个性化校正模型；再利用外置单片机实现校正，使传感器校正后的输出频率正比于位移变化量，同时对传感器全部工作范围内的温度漂移进行补偿，提高不同温度下的位移测量精度。

Description

电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法及实现 装置
技术领域
本发明涉及传感器检测与控制技术领域，具体为一种电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法及实现装置，用于与电感调频式位移传感器搭配使用，提高传感器的精度与稳定性。
背景技术
电感调频式位移传感器广泛用于建筑、大型机械运动部分位置的测量。测量原理是在被测量部分的带动下，传感器内部铁芯插入电磁线圈的深浅发生变化，从而产生于位移量相关的某一频率的电磁振荡，这一震荡经整流后转化为同频率的方波输出。由于该型位移传感器输出方波的频率与所测量的位移量呈非线性关系，同时传感器在不同温度下的温度漂移较为严重，因此导致实际应用中该型位移测量精度有待提高。对于该类型的位移传感器，工业上常用的是通过硬件电路对传感器输出频率的非线性特性进行校正，而对于温度漂移对传感器测量精度的影响，则只对常用工作温度(如25℃)进行硬件修正，这在一定程度上缓解了传感器非线性特性对位移测量精度的影响，但对于非设计温度，温度漂移依然对位移测量精度有着很大影响。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法及实现装置，利用外置单片机实现，使传感器校正后的输出频率正比于位移变化量，同时对传感器全部工作范围内的温度漂移进行补偿，提高不同温度下的位移测量精度。
本发明的技术方案为：
所述一种电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立校正模型为：
Length＝(z0+A01*Temp1+B01*Frequency+B02*Frequency*Frequency+C02*Temp1*Frequency)/(1+A1*Temp1+B1*Frequency+A2*Temp1*Temp1+B2*Frequency*Frequency+C2*Temp1*Frequency)
其中：z0，A01，B01，B02，C02，A1，B1，A2，B2，C2为模型参数，Temp1为温度，Frequency为电感调频式位移传感器的输出频率，Length为位移；
步骤2：在电感调频式位移传感器的适用温度范围内选择10个温度值，在电感调频式位移传感器的工作范围内选择10个位移值，组成10组温度-位移数据；精确测量电感调频式位移传感器在每组温度-位移数据下的输出频率值；得到10组温度-位移-频率数据；
步骤3：将10组温度-位移-频率数据代入步骤1建立的校正模型，解算出10个模型参数，得到对应该电感调频式位移传感器个体的校正模型。
所述一种电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正实现装置，其特征在于：包括解算模块和温度采集模块；电感调频式位移传感器个体输出频率值至解算模块，温度采集模块输出温度值至解算模块，解算模块中具有对应该电感调频式位移传感器个体的校正模型，并依据输入的频率和温度，解算得到电感调频式位移传感器的位移数据。
有益效果
本发明利用外加解算模块(单片机)，对电感调频式位移传感器进行软件校正，既修正了输出频率随位移的非线性变化趋势，同时也避免了温度漂移对传感器测量精度的影响，而且校正系统结构简单、不改变原有传感器结构和输出信号类型，易于生产和对已有该型传感器进行改进。根据实测数据该方法可将该系列电频式位移传感器的温度漂移误差控制在0.05mm，且达到完全线性化。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为电感调频式位移传感器校正装置温度、频率采集原理图；
图2为电感调频式位移传感器校正装置位移输出原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
电感调频式位移传感器输出方波的频率与所测量的位移量呈非线性关系，同时传感器在不同温度下存在温度漂移，目前主要的解决方案是通过硬件电路对传感器输出频率的非线性特性进行校正，而对于温度漂移对传感器测量精度的影响，则只对常用工作温度(如25℃)进行硬件修正，这就存在对于非设计温度，温度漂移依然对位移测量精度有着很大影响的问题。
为解决上述问题，本发明提出了一种电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法及其实现装置，既能够提高该型传感器的测量精度，同时还具有结构简单、易于生产的特点；此外，经过软件校正后，传感器输出频率的变化范围与原传感器保持一致，方便了对现有用户的升级改造。
申请人在进行研究分析过程中，首先分析了电感调频式位移传感器输出频率随位移量和环境温度的变化关系。以某型适用温度范围为-10℃到60℃，工作范围为0mm到50mm的电感调频式位移传感器为例，在恒温箱中利用高度尺和示波器，精确测量了该型传感器在不同温度(-10℃到60℃间每隔5℃设一个测点)和位移(0mm到50mm每隔5mm设一个测点)下的输出频率值，如表1所示：
表1
将位移Length定义为以频率Frequency和温度Temperature为自变量的函数，即Length＝f(Frequency,Temperature)
其中f代表某种校正方法。
电感调频式位移传感器的测量原理是在被测量部分的带动下，传感器内部铁芯插入电磁线圈的深浅发生变化，从而产生于位移量相关的某一频率的电磁振荡，这一震荡经整流后转化为同频率的方波输出。由于电感调频式位移传感器输出方波的频率与所测量的位移量呈非线性关系，同时传感器在不同温度下的温飘较为严重，因此导致实际应用中该型位移测量精度有待提高。典型的电感调频式位移传感器腔体采用封闭式，具有环形线圈，且温度的影响主要是作用给线圈的热胀冷缩，导致输出频率变化很大。基于上述结构分析，并通过Matlab、Origin等软件对已采集的传感器数据(如表1)进行数学分析，得出位移随频率和温度的变化规律，再通过数据拟合和插值等方法，得到最终满足精度要求的校正模型：
Length＝(z0+A01*Temp1+B01*Frequency+B02*Frequency*Frequency+C02*Temp1*Frequency)/(1+A1*Temp1+B1*Frequency+A2*Temp1*Temp1+B2*Frequency*Frequency+C2*Temp1*Frequency)
其中：z0，A01，B01，B02，C02，A1，B1，A2，B2，C2为模型参数，Temp1为温度，Frequency为电感调频式位移传感器的输出频率，Length为位移。
于是根据电感调频式位移传感器实验室测量数据，及传感器状态结构理论分析的模型建立阶段完毕。
基于上述原理，利用校正模型，下面就对每个电感调频式位移传感器单体建立适应其自身的个性化模型。
在电感调频式位移传感器的适用温度范围内选择10个温度值，在电感调频式位移传感器的工作范围内选择10个位移值，组成10组温度-位移数据；精确测量电感调频式位移传感器在每组温度-位移数据下的输出频率值；得到10组温度-位移-频率数据。
将10组温度-位移-频率数据代入建立的校正模型，解算出10个模型参数，得到对应该电感调频式位移传感器个体的个性化校正模型。
接下来就可以采用得到的个性化校正模型建立对应该电感调频式位移传感器的校正实现装置：
校正实现装置包括解算模块和温度采集模块。这里采用52单片机作为解算模块，在52单片机中拷入该电感调频式位移传感器个体的个性化校正模型。电感调频式位移传感器个体输出频率值至52单片机，温度采集模块输出温度值至52单片机；52单片机依据输入的频率和温度，利用个性化校正模型解算得到电感调频式位移传感器的位移数据，并输出到数码管或数字信号输出。
52单片机输出的位移长度数据Length输出到数码管显示，或利用方波发生器转化成修正频率输出。还以某型适用温度范围为-10℃到60℃，工作范围为0mm到50mm的电感调频式位移传感器为例，0mm位移对应10000Hz频率，50mm位移对应20000Hz频率，则修正频率Frequency’＝10000+Length*10000/50。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立校正模型为：
Length＝(z0+A01*Temp1+B01*Frequency+B02*Frequency*Frequency+C02*Temp1*Frequency)/(1+A1*Temp1+B1*Frequency+A2*Temp1*Temp1+B2*Frequency*Frequency+C2*Temp1*Frequency)
其中：z0，A01，B01，B02，C02，A1，B1，A2，B2，C2为模型参数，Temp1为温度，Frequency为电感调频式位移传感器的输出频率，Length为位移；
步骤2：在电感调频式位移传感器的适用温度范围内选择10个温度值，在电感调频式位移传感器的工作范围内选择10个位移值，组成10组温度-位移数据；精确测量电感调频式位移传感器在每组温度-位移数据下的输出频率值；得到10组温度-位移-频率数据；
步骤3：将10组温度-位移-频率数据代入步骤1建立的校正模型，解算出10个模型参数，得到对应该电感调频式位移传感器个体的校正模型。
2.一种利用权利要求1所述方法实现电感调频式位移传感器线性化与温度漂移校正的装置，其特征在于：包括解算模块和温度采集模块；电感调频式位移传感器个体输出频率值至解算模块，温度采集模块输出温度值至解算模块，解算模块中具有对应该电感调频式位移传感器个体的校正模型，并依据输入的频率和温度，解算得到电感调频式位移传感器的位移数据。
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