CN106767952B - 一种电感式位移传感器的干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感式位移传感器的干扰消除方法，是在降低维度优化的IPS查表算法基础上新增若干采样点，作为干扰校验点；通过分析干扰校验点的分布范围和一致性，检测系统采样数据是否由于干扰而出现差错；本发明通过增加干扰校验点数，检出干扰的概率理论上无限接近100％。可结合现场干扰特征，根据干扰检出概率的需求灵活地设置干扰校验点数。干扰检出功能的时间复杂度和空间复杂度是一维增长的，开销小。通过改进原有标定流程，在一次标定中得到与干扰校验点对应的所有高低温查找表，无需新增生产标定流程。通过优化干扰校验点的采样时刻可以针对性地强化干扰剔除机制对特定类型干扰的检出概率，由此增加了系统对特定已知频率干扰的抗干扰能力。

Description

一种电感式位移传感器的干扰消除方法

【技术领域】

本发明属于传感器领域，涉及电感式位移传感器的检测方法，具体为一种电感式位移传感器的干扰消除方法。

【背景技术】

电感式位移传感器(Inductive Position Sensor，简称IPS)无需机械接触，所以具备抗污染和磨损、防爆和防水、寿命长和维护开销低、无故障工作小时数长等优点。上述优势使得IPS广泛适用于航空领域的机电系统中，包括各类航空器的起落架、客货舱门、副翼、推力反向器等。涉及的航空器类型包括大型民航客机、运输机等。

传感器的换能器是一个无源线圈，其电感值和线圈通流能力都远小于一般工业用传感器，电感最大值不超过10mH、线圈通流不超过20mA。

IPS的检测原理是，IPS线圈受检测电路激励而产生的磁场受外部金属靶标的影响而产生变化。金属靶标越接近IPS线圈，线圈的等效电感分量就越大。所以线圈的电感分量反映了金属靶标和IPS线圈的间距。由于该线圈是用铜线绕制而成，线圈的电阻分量受温度影响变化剧烈。IPS的检测精度由此受到严重制约。所以设计IPS的驱动和检测电路，分离线圈电感分量和电阻分量，是抵消温度对测量影响，并提高测量精度的关键。

IPS的驱动和检测电路通过对传感器线圈进行驱动、采样和计算，检测出IPS到目标金属物体的间距，决定了传感器性能。

已有一种数模混合测量法，该方法对IPS线圈进行脉冲激励，并对其放电波形在不同时刻进行两次采样，通过模型计算，分离线圈的电感分量和电阻分量，抵消了温漂带来的测量误差。将两次采样值用于二维查找表检索接近距离的方法，简化了在线数据处理，无需浮点运算，无需MCU等过程控制部件。然而这种方法有如下局限性。

在以上方法的设计实现的基础上，已有一种降低维度的优化方法。该方法在提取温度与放电波形矫正系数之后，只需遍历接近距离一个维度，通过线性逼近算法计算出任意温度下的放电曲线特征。从而避免了同时遍历温度和接近距离两个维度而获得查找表，将在线查表的规模从二维降至一维，显著减少了查找表的容量(小于同等条件下压缩后的0.21％)，而且有利于在使用更高精度ADC进一步提高IPS测量精度这个过程中控制查找表的增长规模。同时，维度的降低导致可以使用工装直接标定接近距离与放电曲线的关系，以接近距离均匀增长的方式记录查找表比以电感量均匀增长的方式记录查找表，使之有更好的存储空间利用率。而且标定的过程抵消了线圈产品的不一致性，避免额外使用精密仪器对线圈进行参数测量的过程，有利于IPS的产品化。

但由于缺乏干扰消除机制，上述方法在实践中受到外部电磁环境干扰，在特定的环境条件下，会偶然出现检测精度降低或者错误的现象，限制了这种方法的应用。

【发明内容】

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种电感式位移传感器的干扰消除方法，能够有效提高系统的抗电磁环境干扰能力。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种电感式位移传感器的干扰消除方法，在降低维度优化的IPS查表算法基础上新增若干采样点，作为干扰校验点；通过分析干扰校验点的分布范围和一致性，检测系统采样数据是否由于干扰而出现差错；包括如下步骤：

1)新增t₂时刻干扰校验点：

t₂时刻时为放电电压接近终点电压的时刻；在t₂时刻附近新增若干采样点，用于筛查该采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表；

2)新增t₁时刻校干扰验点：

t₁时刻为放电电压变化过程中的时刻；在t₁时刻附近新增若干采样点，用于筛查该采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表；

3)计算干扰校验点查找表：

通过标定，一次性生成所有与t₁时刻干扰校验点相对应的高低温查找曲线；通过计算得到相应的算子查找表，写入IPS内；

4)计算冗余接近距离：

IPS工作状态中，驱动线圈放电，控制ADC在所有干扰校验点时刻采样；将t₁时刻干扰校验点上的采样值和符合筛选条件的t₂时刻采样值作为输入，结合IPS内部存储的算子查找表计算得到临时查找表；将t₁时刻干扰校验点的采样值与和相对应的临时查找表进行查找和计算，得到冗余接近距离；通过判断上述接近距离是否满足一致性条件，决定是否将本次测量周期认为是干扰异常周期从输出结果中剔除；

5)干扰校验点的频率优化：

结合工程现场的干扰频率，有针对性地调整干扰校验点的采样时间；能够增强系统对特定频率干扰的检出概率，从而完善系统抗干扰的频率覆盖范围。

本发明进一步的改进在于：

所述步骤1)中，在IPS线圈放电电压接近终点电压的时，新增若干采样点，用于筛查采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表，具体方法如下：

在IPS线圈放电接近终点电压时，新增多个采样点连同原t₂时刻重新命名为t_2a、t_2b、t_2c、……时刻；

对每个放电波形分别在t_2a、t_2b、t_2c、……时刻进行采样，获得采样值分别为U_2a、U_2b、U_2c、……；如果不能同时满足式(1)的所有条件，即认为本次放电波形受到外部干扰而需要剔除，不更新输出结果；式(1)的前一部分条件约束了U_2a、U_2b、U_2c、……都符合工程定义范围；其中r_min和r_max是IPS线圈电阻分量在最低工作温度和最高工作温度下的最小值和最大值；n是ADC的采样位数；式(1)的后一部分条件约束了U_2a、U_2b、U_2c、……的非一致性不能超过系统最小分辨率所对应的ADC的最小量化误差；其中a是系统最小分辨率所对应的ADC的最小量化误差；

U_2a、U_2b、U_2c、……同时满足式(1)是认为是可用采样点，取其中间值记为U₂，用于后续计算。

所述步骤2)中，在IPS线圈放电电压变化过程中，新增若干采样点，用于筛查采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表，具体方法如下：

IPS线圈放电电压变化过程中新增多个采样点连同原t₁时刻重新命名为t_1a、t_1b、t_1c、……；

对每个放电波形分别在t_1a、t_1b、t_1c、……时刻进行采样，获得采样值分别为U_1a、U_1b、U_1c、……；如果不能同时满足式(2)的所有条件，即认为本次放电波形受到外部干扰而需要剔除，不更新输出结果；式(2)约束了U_1a、U_1b、U_1c、……都符合其各自的工程定义范围；其中r_min和r_max是IPS线圈电阻分量在最低工作温度和最高工作温度下的最小值和最大值；L_min和L_max是IPS线圈电感分量在远离靶标和紧挨靶标时的最小值和最大值；n是ADC的采样位数；公式中的计算使用离线计算实现；

U_1a、U_1b、U_1c、……同时满足式(2)是认为是可用采样点，将它们独立地用于后续计算。

所述步骤3)中，通过标定一次性生成所有与t₁时刻干扰校验点分别对应的高低温查找曲线，具体步骤如下：

U₂是在放电终点时刻进行多次采样，且采样值满足定义域要求以及平滑性要求的采样值；U₂与采样值U_1a、U_1b、U_1c、……分别构成降维查找表输入向量(U_1a，U₂)、(U_1b，U₂)、(U_1c，U₂)、……；每个输入向量都能够独立计算出IPS的接近距离，通过工装标定建立一组高低温查找表用于查表计算；高低温查找表包含了IPS线圈生产的不一致性，对标定流程进行优化；

在室温条件下，使用精密平移台带动IPS在距离靶标探测范围内以固定间距移动；每个标定点上，从IPS上读取其在t_1a、t_1b、t_1c、……时刻获得的一组采样点；共获得和总间隔数相同的采样点集合，构成的低温标定曲线，记为U_1aLi、U_1bLi、U_1cLi、……，i为标定点编号；将低温标定过程中符合式(1)的放电终点电压采样值记为U_2L；在IPS放电回路内串联模拟高温电阻，重复标定流程，获得总间隔数相同的采样点集合，构成的高温标定曲线，记为U_1aHi、U_1bHi、U_1cHi、……；将高低温标定过程中符合式(1)的放电终点电压采样值记为U_2H。

所述步骤3)中，通过计算计得到与干扰校验点对应的算子查找表，写入IPS内，具体步骤如下：

将上述低温标定曲线和高温标定曲线带入式(3)通过离线计算，得到与干扰校验点对应的算子查找表，结构如表1所示；

表1：校验点查找表离线计算

将上述算子查找表数据，以及高低温标定放电终点电压采样值(U_2H,U_2L)存储到IPS内部的非易失性存储器中；上述参数构成完整的IPS标定数据，参与IPS工作过程中的检测、计算和干扰消除的在线计算。

所述步骤4)中，IPS工作状态中，驱动线圈放电，控制ADC在所有干扰校验点时刻采样；将t₁时刻干扰校验点上的采样值和符合筛选条件的t₂时刻采样值作为输入，结合IPS内部存储的算子查找表计算得到临时查找表；具体步骤如下：

IPS系统正常作过程中，每个采样周期获得采样值U_2a、U_2b、U_2c、……以及U_1a、U_1b、U_1c、……；根据式(1)挑选出满足定义域要求以及平滑性要求放电终点采样值，记为U_2x；将满足式(2)的放电波形采样值记为U_1ax、U_1bx、U_1cx、……；将U_2x和查找表算子表带入式(4)计算对应每个标定点的临时查找表数据U_1aTi、U_1bTi、U_1cTi、……，i为标定点编号，结构如表2所示；

表2：校验点查找表在线计算

所述步骤4)中，将t₁时刻干扰校验点的采样值与和相对应的临时查找表进行查找和计算，得到冗余接近距离；通过判断上述接近距离是否满足一致性条件，决定是否将本次测量周期认为是干扰异常周期从输出结果中剔除；具体步骤如下：

如表2所示，将采样值U_1ax、U_1bx、U_1cx、……与分别于各自对应的临时查找表进行对比；临时查找表U_1aTi里大于U_1ax的最小数所对应的编号，即为校验点a所对应的接近距离的整数位编号I_a；同理可求出其它校验点所对应的接近距离的整数位编号I_b、I_c、……；

根据式(5)，利用线性插值计算接近距离的小数位，与整数位加和，得到t_1a、t_1b、t_1c、……时刻校验点所对应的接近距离D_a、D_b、D_c、……；

所述步骤4)的具体步骤如下：

对于工程现场测量发现的特定频率的干扰，将每两个校验点之间的时间间隔设置为该干扰频率对应周期的1/4倍或者3/4倍；测试并估计工程现场干扰的频率特征，使用上述方法设计若干个校验点，增强系统对若干特定频率干扰的筛查能力；

遍历所设校验点的时间间隔，找出对应于工程现场有可能出现的高风险频率；额外针对这些风险频率设置其1/4倍或者3/4倍周期长度的校验点间隔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述方法在降低维度优化的IPS查表算法基础上新增若干采样点，作为干扰校验点。通过分析干扰校验点的分布范围和一致性，检测系统采样数据是否由于干扰而出现差错。通过增加干扰校验点数，检出干扰的概率理论上无限接近100％。可结合现场干扰特征，根据干扰检出概率的需求灵活地设置干扰校验点数。干扰检出功能的时间复杂度和空间复杂度是一维增长的，开销小。通过改进原有标定流程，在一次标定中得到与干扰校验点对应的所有高低温查找表，无需新增生产标定流程。通过优化干扰校验点的采样时刻可以针对性地强化干扰剔除机制对特定类型干扰的检出概率，由此增加了系统对特定已知频率干扰的抗干扰能力。

【附图说明】

图1为本发明实例中所述电感式位移传感器的结构框图；

图2为图1所示IPS线圈的驱动和响应波形图；

图3为本发明实例中所述的函数U_r’(L_i,r)的图像；

图4为本发明实例中所述的函数U(L_i,r)的图像；

图5为本发明实例中所述的干扰发生机制；

图6为本发明实例中所述的干扰抵消过程；

图7为本发明实例中所述的有缺陷的干扰抵消过程。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

传感器模型和检测电路：

本发明所涉及的电感式位移传感器(IPS)由传感探头和检测电路构成，如图1所示。线圈是IPS的换能器，用于把传感器与金属靶标的距离量转换为可测量的电信号；检测电路对线圈进行驱动和检测，通过计算得出传感探头距离金属靶标的距离。

IPS包含一个用漆包线绕制的线圈，其等效电路模型是其电阻分量r和电感分量L的串联。其中电阻分量r随环境温度变化而变化；电感分量L几乎不随温度变化而变化，传感器外部有金属目标靠近时，使其附近电磁场分布显著变化，线圈电感分量增大，所以L反映了探头距离金属靶标的距离。本实施例中所述的一种典型的IPS线圈参数为：电阻分量r在室温下为13.2Ω，绕制线圈的漆包线材料的电阻温度系数约为4300ppm，则在传感器工作温度范围内，电阻分量变化范围为8.7Ω(-55℃)到18.6Ω(120℃)；L在1kHz的电桥激励下为4.9mH(距离靶标大于10mm)到10.0mH(紧贴靶标)。

对模型参数测量分析可以发现，绕制线圈的漆包线材料温度系数过大，导致线圈电阻分量在传感器工作范围内的漂移大于40％，会对电感分量L的测量带来巨大影响。分离线圈电阻分量r和电感分量L，是获得高精度测量结果的关键。

如图1所示，检测电路中的控制和计算逻辑通过驱动电路产生方波信号，方波信号的上升沿驱动开关管M开启，电流经过限流电阻R和线圈形成放电回路。控制和计算电路通过ADC(数模转换器)采样获取线圈放电波形，通过计算得到接近距离并输出。

对上述电路进行驱动和响应波形的测量如图2所示，当传感探头和靶标间距在1.0mm时和6.0mm时的放电响应波形在时域上有显著差异。对差异进行提取和计算可以获得接近距离数值。

由于该IPS系统具有线圈电感分量L和线圈电阻分量r两个自由变量，对放电波形进行两次采样并计算可以还原两个自由变量。以放电开关M开启为t₀时刻，分别在t₁和t₂时刻进行两次采样获得U₁和U₂。

根据模型得出约束关系如式(1)所示；

可以证明上述方程组中给定(U₁,U₂)，存在且只存在唯一解(L,r),该解即为模型中线圈的电感分量和电阻分量，其中线圈电感分量可以反映出传感探头到靶标的距离。式(1)虽然是超越方程组，但可用最小二乘法求取其数值解，如式(2)所示；

降维查找算法：

通过式(2)求解方程的计算复杂度高，但可通过离线计算，建立(U₁,U₂)到(L,r)的对应关系，获得一个二维查找表。将该表记录在IPS中，通过查表计算求出L的数值，简化了在线计算。

获得完整的二维查找表需要同时遍历IPS的环境温度和接近距离两个维度。显然，在数十个恒温环境下逐次标定接近距离和采样值(U₁,U₂)之间的关系，这个流程在实践中是不现实的。利用放电波形和IPS线圈电阻分量参数的近似线性关系可以减少恒温标定次数。

IPS线圈放电进入稳态后，测量节点的电压是个常数，且和线圈电感分量L无关。根据模型计算公式，将t₂设定为无穷大。则式(1)可以简化为式(3)。

由此，线圈的电感分量和电阻分量被分离，可以得到线圈电感分量的解析解：

实际测量中L随着接近距离的减小以指数级增大，为了确保5mm间距附近的测量精度，选取L_min为4.5mH(小于10mm间距时的电感量)、L_max为10mH(大于0mm间距时的电感量)。根据限流条件R为300Ω。对应12位ADC，V_CC为4095。室温下r为13.2Ω。t₁时刻为线圈放电曲线变化最显著的时刻，可以根据工程参数确定最优值。根据上述参数求出t₁的优化数值为20.9us；t₂时刻是一个较大的延迟，此时，线圈放电几乎已经结束；放电电压接近放电终点电压的程度小于ADC的最小量化误差。经计算选择t₂时刻为250us，此时线圈放电电压与放电终点电压的差值小于0.01％(小于12位ADC的最小量化误差)。

控制ADC在t₁和t₂时刻进行两次采样。可将两次采样值直接代入式(4)并计算出线圈电感量。然而其计算复杂度仍然很高。可以用二维查找表简化计算。由于方程的两个变量L和r被分离，二维查找表的形式变为，每个不同的r对应的L和U₁的关系。如表1所示，从左到右是自由变量r的增长方向；从上到下是自由变量L的增长方向。每个r标记点，对应一个U₂采样值，同时对应一列U₁在L增长方向的采样值。

表1：分离变量后的二维查找表结构

求出函数U(L,r)关于自变量r的偏导数，如下式所示。在L的定义域范围内均匀取样，求出不同电感量所对应的函数U_r’(L_i,r)的图像，如图3所示。函数U_r’(L_i,r)的曲线接近于常数，这意味着函数U_r(L_i,r)的曲线接近于直线。采样值和电阻分量的非线性关系最严重的曲线出现在L最小(接近距离最大)时。这条曲线上的最大累计偏差约为0.17倍的ADC最小量化误差。这意味着对于这种典型参数的IPS，采样值和电阻分量的线性关系很好，以至于在近似等效为直线时，对于12位ADC而言，线性插值误差可以忽略不计。

如图4所示，提取在不同的两种恒温环境下标定接近距离和采样值U₁之间的关系，得到低温查找表和高温查找表，以及它们分别对应的放电终点采样值U_2L和U_2H。U_2L和U_2H表征了这两种恒温环境下的电阻分量。IPS工作过程中获取采样值(U₁,U₂)。在U₂所表征的采样时刻环境温度下，接近距离和采样值U₁之间有近似于线性的关系。采样值U₂与(U_2L,U_2H)的比例关系决定了差值曲线在图4中的横向位置。通过这个比例和低温标定曲线以及高温标定曲线进行计算，得到临时查找表。查找采样值U₁在临时查找表里的位置，就得到了此时IPS与靶标之间的间距。由此，二维查找表被简化成了两个一维查找表。

如图4所示，记录r为8Ω时L在定义域范围内变化所对应的低温标定曲线；以及记录r为20Ω时L在定义域范围内变化所对应的高温标定曲线。即可用插值算法获得r为任意数值时L在定义域范围内变化所对应的临时查找表。由此，二维查找表被简化成了两个一维查找表。

没有必要在极限高温状态下实施高温标定流程，因为电阻分量r与IPS的环境温度成正比，在放电回路里串联一个电阻以模拟高温环境。由于没有负的物理电阻，所以无法用串联电阻的方法模拟低温曲线的温度环境。该线性插值并不要求将样本空间设置在极限状态，所以不需要在极限低温状态下实施低温标定流程，可以在室温下进行。上述过程要求在标定过程中环境温度稳定。使用模拟标定温度环境的方法，可以简化生产流程。

使用精密平移台带动IPS在距离靶标0～7mm范围内以间距0.1mm移动。每个标定点上，从IPS上读取一个U₁数值，一共获得71组标定数据。最后记录公共的U₂数值。得到完整的高低温查找曲线如下表所示。

表2：高低温查找曲线表

结合标定数据，IPS工作过程中，在每个线圈放电波形上读取U_1x和U_2x两个采样值。用下式，代入U_2x和高低温查找表，计算出对于当前温度(r值)的临时查找表。

上述计算为在线计算，可以进行简化处理。经推导，得到临时查找表U_1Ti的计算公式如下，其中算子A_i和B_i是根据高低温查找表通过离线计算得到的常数。

标定获取IPS的高低温查找表后，在标定平台系统上离线计算算子A_i和B_i，并将其作为算子查找表写入IPS内。IPS工作状态中，驱动线圈放电，控制ADC进行两次采样，获得U_1x和U_2x两个采样值。将算子查找表和U_2x根据式(7)进行71次乘加，计算出临时查找表。将采样值U_1x和临时查找表进行对比，检索出接近距离的整数位x。如表3所示。

表3：查找表存储、计算和检索过程

最后根据下式，利用相邻点数据进行一次插值计算，估算接近距离的小数位，获得修正后的接近距离。

本方法需要在IPS中记录两组71个点的一维查找表，每个检测周期进行71次乘加运算。显著降低了对硬件资源的需求。通过标定，消除了线圈生产公差的影响。

干扰产生机制：

由于受到工作环境中的电磁干扰，有可能导致IPS采样错误，从而导致计算出错误的接近距离。由于系统每次驱动线圈放电并检测的窗口是250uS。如果干扰发生在这个检测窗口之外对测量无影响。但是有一定的概率干扰出现在测量窗口之内，导致测量产生误差甚至错误。如图5所示，在t₀+5us时刻向系统注入500KHz的干扰，这个干扰会使得采样值U₁发生重大偏差，从而导致距离检测错误。需要增加干扰剔除机制，将这类异常的采样周期从输出结果中排除。

新增t₂时刻干扰校验点：

由于t₂时刻时放电电压接近终点电压，此时放电波形接近于直线。容易发现直流波形上的叠加干扰。在t₂时刻附近新增两个(或多个)采样点连同原t₂时刻重新命名为t_2a、t_2b和t_2c时刻，对于本实施例，分别为230us、250us和280us。

对每个放电波形分别在t_2a、t_2b和t_2c时刻进行三次采样，获得采样值分别是U_2a、U_2b和U_2c。如果不能同时满足式(9)的所有条件，即认为本次放电波形受到外部干扰而需要剔除，即放弃本次测量，不更新输出结果。前三个条件约束了U_2a、U_2b和U_2c都符合工程定义范围。其中r_min和r_max是IPS线圈电阻分量在最低工作温度和最高工作温度下的最小值和最大值。n是ADC的采样位数；后三个条件约束了U_2a、U_2b和U_2c的非一致性不能超过系统最小分辨率所对应的ADC的最小量化误差。其中a是系统最小分辨率所对应的ADC的最小量化误差。

U_2a、U_2b和U_2c同时满足式(9)是认为是可用采样点，取其中间值记为U_2，，用于后续计算。

新增t₁时刻干扰校验点：

t₁时刻为放电电压变化过程中的时刻。在t₁时刻附近新增两个(或多个)采样点连同原t₁时刻重新命名为t_1a、t_1b和t_1c时刻，对于本实施例，分别为10us、20.9us和25us。

对每个放电波形分别在t_1a、t_1b和t_1c时刻进行三次采样，获得采样值分别是U_1a、U_1b和U_1c。如果不能同时满足式(10)的所有条件，即认为本次放电波形受到外部干扰而需要剔除，即放弃本次测量，不更新输出结果。式(10)的三个条件约束了U_1a、U_1b和U_1c都符合其各自的工程定义范围。其中r_min和r_max是IPS线圈电阻分量在最低工作温度和最高工作温度下的最小值和最大值；L_min和L_max是IPS线圈电感分量在远离靶标和紧挨靶标时的最小值和最大值；n是ADC的采样位数。公式中的计算使用离线计算实现。

U_1a、U_1b和U_1c同时满足式(10)是认为是可用采样点，将它们独立地用于后续计算。

干扰校验点的高低温查找表计算，以及接近距离一致性校验：

U₂是在放电终点时刻进行多次采样，且采样值满足定义域要求以及平滑性要求的采样值。U₂与采样值U_1a、U_1b和U_1c分别构成降维查找表输入向量(U_1a，U₂)、(U_1b，U₂)和(U_1c，U₂)。每个输入向量都可以独立计算出IPS的接近距离。但每个输入向量的降维查表计算需要独立的高低温查找表。原有降维查表算法中只有一个输入向量，通过工装标定建立一组高低温查找表用于查表计算。这个高低温查找表包含了IPS线圈生产的不一致性，所以它是针对所标定产品专用的。为了避免重复进行标定，需要优化标定流程。

在室温条件下，使用精密平移台带动IPS在距离靶标0～7mm范围内以间距0.1mm移动。每个标定点上，从IPS上读取其在t_1a、t_1b和t_1c时刻获得的一组三个采样点。共获得由71组采样点构成的低温标定曲线，记为U_1aLi、U_1bLi和U_1cLi，i为范围0～70的标定点编号。将低温标定过程中符合式(9)的放电终点电压采样值记为U_2L。在IPS放电回路内串联模拟高温电阻，重复标定流程，获得由71组采样点构成的高温标定曲线，记为U_1aHi、U_1bHi和U_1cHi。将高低温标定过程中符合式(9)的放电终点电压采样值记为U_2H。

将上述低温标定曲线和高温标定曲线带入式(11)通过离线计算，得到三组校验点各自对应的算子查找表，结构如表(4)所示。

表4：校验点查找表离线计算

将上述三组算子查找表数据，以及高低温标定放电终点电压采样值(U_2H,U_2L)存储到IPS内部的非易失性存储器中。上述参数构成完整的IPS标定数据，参与IPS工作过程中的检测、计算和干扰消除的在线计算。

IPS系统正常作过程中，每个采样周期获得采样值U_2a、U_2b和U_2c以及U_1a、U_1b和U_1c。根据式(9)挑选出满足定义域要求以及平滑性要求放电终点采样值，记为U_2x；将满足式(10)的放电波形采样值记为U_1ax、U_1bx和U_1cx。将U_2x和查找表算子表带入式(12)计算对应每个标定点的临时查找表数据U_1aTi、U_1bTi和U_1cTi，i为范围0～70的标定点编号，结构如表(5)所示。将采样值U_1ax、U_1bx和U_1cx与分别于各自对应的临时查找表进行对比。临时查找表U_1aTi里大于U_1ax的最小数所对应的编号，即为校验点a所对应的接近距离的整数位编号I_a。同理可求出校验点b和c所对应的接近距离的整数位编号I_b和I_c。

表5：校验点查找表在线计算

根据式(13)，利用线性插值计算接近距离的小数位，得到t_1a、t_1b和t_1c时刻校验点所对应的接近距离D_a、D_b和D_c。

D_a、D_b和D_c是在同一个IPS上，同一个放电波形中，不同时刻采样点计算出的接近距离。如果放电波形未受干扰而产生显著变形，D_a、D_b和D_c满足一致性条件，即它们的偏差应该在系统测量精度范围内。挑选其中一点作为检测结果输出。否则应将当次受干扰的检测周期从结果更新序列中剔除。

特定频率干扰抑制：

增加校验点可增强IPS的干扰检出能力，理论上随着校验点数量的增加，扰检出的概率无限接近100％。然而增加校验点数量是以增加系统计算复杂度为代价的。合理地安排使用有限的校验点，使其最大化地发挥干扰检出作用，可以提高本方法的有效性。

本实施例中选择的t_1a、t_1b和t_1c时刻校验点，别为10us、20.9us和25us。对特定状态下的放电回路施加特定干扰，如图6所示。注入干扰的放电曲线在t_1a时刻的采样值U_1a超出了其定义域下限，即不满足式(10)条件，从而确认本次测量周期需剔除；注入干扰的放电曲线在t_1b时刻的采样值U_1b在其定义域范围内，且与未受干扰的放电曲线上的采样值比较接近，导致该校验点漏检干扰；注入干扰的放电曲线在t_1c时刻的采样值U_1c在其定义域范围内，但与未受干扰的放电曲线上的采样值有一定偏差，导致该校验点计算出来的接近距离D_c与t_1b时刻校验点计算的接近距离D_b之间的偏差超出合理范围，从而确认本次测量周期需剔除。

图6中的干扰抵消过程满足了两个剔除条件：t_1a时刻校验点不满足定义域范围条件，以及t_1b和t_1c时刻校验点计算出接近距离不满足一致性条件。此时干扰事件可以被有效提取，不会造成测量输出错误。而如果不合理地设置校验点采样时刻，会导致干扰事件漏检概率提高。如图7所示，放电曲线和注入干扰条件不变，调整t_1a、t_1b和t_1c时刻为10.82us、20.82us和25.82us。此时，在注入干扰的放电曲线上的采样值U_1a、U_1b和U_1c，不仅满足定义域条件，而且由于非常接近未注入干扰的放电曲线上的采样值，由其计算出的接近距离D_a、D_b和D_c也满足一致性条件。此时D_a、D_b和D_c都非常接近于IPS的实际接近距离，然而这种情况是有风险的。因为一旦注入干扰的相位发生微小变化，U_1a、U_1b和U_1c仍能满足定义域条件；D_a、D_b和D_c发生了共同的增大或减小，仍能满足一致性条件。干扰未被发现，导致错误结果被输出。

对于工程现场测量发现的特定频率的干扰，将每两个校验点之间的时间间隔设置为该干扰频率对应周期的1/4倍或者3/4倍，有利于对该特定频率干扰检出概率最大化。测试并估计工程现场干扰的频率特征，使用上述方法设计若干个校验点，可以增强系统对若干特定频率干扰的筛查能力。

每两个校验点之间的时间间隔对应了一个特定频率，凡是接近这个频率的整数倍的干扰信号，一旦相位条件满足，就有可能被漏检。遍历所设校验点的时间间隔，找出对应于工程现场有可能出现的高风险频率。额外针对这些风险频率设置其1/4倍或者3/4倍周期长度的校验点间隔。

通过上述方法可以灵活地设置校验点的采样时间，有针对性的对于特定现场条件，增强某些特定频率干扰被检出的概率，并完善系统抗干扰的频率覆盖范围。

本发明所述方法在降低维度优化的IPS查表算法基础上新增若干采样点，作为干扰校验点。通过分析干扰校验点的分布范围和一致性，检测系统采样数据是否由于干扰而出现差错。通过增加干扰校验点数，检出干扰的概率理论上无限接近100％。可结合现场干扰特征，根据干扰检出概率的需求灵活地设置干扰校验点数。干扰检出功能的时间复杂度和空间复杂度是一维增长的，开销小。通过改进原有标定流程，在一次标定中得到与干扰校验点对应的所有高低温查找表，无需新增生产标定流程。通过优化干扰校验点的采样时刻可以针对性地强化干扰剔除机制对特定类型干扰的检出概率，由此增加了系统对特定已知频率干扰的抗干扰能力。

本发明用于各类航空、航天器的起落架、客货舱门、副翼、推力反向器等系统。随着民航和军用市场的逐步开放，本发明应用广泛，具备较大的经济效益和社会效益。相比现有技术和产品，本发明具有技术优势，通过数字化行为增强系统抗干扰能力，可以提高非接触式位移传感器类产品及其二次开发产品的市场占有率。同时，优化标定方法，可有效降低相关控制检测系统的规模和成本，有利于产品批量生产。应用前景广泛，经济效益和社会效益大。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，在降低维度优化的IPS查表算法基础上新增若干采样点，作为干扰校验点；通过分析干扰校验点的分布范围和一致性，检测系统采样数据是否由于干扰而出现差错；包括如下步骤：

1)新增t₂时刻干扰校验点：

t₂时刻时为放电电压接近终点电压的时刻；在t₂时刻附近新增若干采样点，用于筛查该采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表；

2)新增t₁时刻干扰校验点：

t₁时刻为放电电压变化过程中的时刻；在t₁时刻附近新增若干采样点，用于筛查该采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表；

3)计算干扰校验点查找表：

通过标定，一次性生成所有与t₁时刻干扰校验点相对应的高低温查找曲线；通过计算得到相应的算子查找表，写入IPS内；

4)计算冗余接近距离：

IPS工作状态中，驱动线圈放电，控制ADC在所有干扰校验点时刻采样；将t₁时刻干扰校验点上的采样值和符合筛选条件的t₂时刻采样值作为输入，结合IPS内部存储的算子查找表计算得到临时查找表；将t₁时刻干扰校验点的采样值与和相对应的临时查找表进行查找和计算，得到冗余接近距离；通过判断上述冗余接近距离是否满足一致性条件，决定是否将本次测量周期认为是干扰异常周期并从输出结果中剔除；

5)干扰校验点的频率优化：

结合工程现场的干扰频率，有针对性地调整干扰校验点的采样时间；能够增强系统对特定频率干扰的检出概率，从而完善系统抗干扰的频率覆盖范围。

2.如权利要求1所述的一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，步骤1)中，在IPS线圈放电电压接近终点电压的时刻，新增若干采样点，用于筛查采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表，具体方法如下：

在IPS线圈放电接近终点电压时，新增多个采样点连同原t₂时刻重新命名为t_2a、t_2b、t_2c、……时刻；

对每个放电波形分别在t_2a、t_2b、t_2c、……时刻进行采样，获得采样值分别为U_2a、U_2b、U_2c、……；如果不能同时满足式(1)的所有条件，即认为本次放电波形受到外部干扰而需要剔除，不更新输出结果；式(1)的前一部分条件约束了U_2a、U_2b、U_2c、……都符合工程定义范围；其中r_min和r_max是IPS线圈电阻分量在最低工作温度和最高工作温度下的最小值和最大值；n是ADC的采样位数；式(1)的后一部分条件约束了U_2a、U_2b、U_2c、……的非一致性不能超过系统最小分辨率所对应的ADC的最小量化误差；其中a是系统最小分辨率所对应的ADC的最小量化误差；

其中，R为限流条件；U_2a、U_2b、U_2c、……同时满足式(1)是认为是可用采样点，取其中间值记为U₂，用于后续计算。

3.如权利要求2所述的一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，步骤2)中，在IPS线圈放电电压变化过程中，新增若干采样点，用于筛查采样的可靠性，并用于建立干扰校验点查找表，具体方法如下：

IPS线圈放电电压变化过程中新增多个采样点连同原t₁时刻重新命名为t_1a、t_1b、t_1c、……；

对每个放电波形分别在t_1a、t_1b、t_1c、……时刻进行采样，获得采样值分别为U_1a、U_1b、U_1c、……；如果不能同时满足式(2)的所有条件，即认为本次放电波形受到外部干扰而需要剔除，不更新输出结果；式(2)约束了U_1a、U_1b、U_1c、……都符合其各自的工程定义范围；其中r_min和r_max是IPS线圈电阻分量在最低工作温度和最高工作温度下的最小值和最大值；L_min和L_max是IPS线圈电感分量在远离靶标和紧挨靶标时的最小值和最大值；n是ADC的采样位数；公式中的计算使用离线计算实现；

U_1a、U_1b、U_1c、……同时满足式(2)是认为是可用采样点，将它们独立地用于后续计算。

4.如权利要求3所述的一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，步骤3)中，通过标定一次性生成所有与t₁时刻干扰校验点分别对应的高低温查找曲线，具体步骤如下：

U₂是在放电终点时刻进行多次采样，且采样值满足定义域要求以及平滑性要求的采样值；U₂与采样值U_1a、U_1b、U_1c、……分别构成降维查找表输入向量(U_1a，U₂)、(U_1b，U₂)、(U_1c，U₂)、……；每个输入向量都能够独立计算出IPS的接近距离，通过工装标定建立一组高低温查找表用于查表计算；高低温查找表包含了IPS线圈生产的不一致性，对标定流程进行优化；

在室温条件下，使用精密平移台带动IPS在距离靶标探测范围内以固定间距移动；每个标定点上，从IPS上读取其在t_1a、t_1b、t_1c、……时刻获得的一组采样点；共获得和总间隔数相同的采样点集合，构成的低温标定曲线，记为U_1aLi、U_1bLi、U_1cLi、……，i为标定点编号；将低温标定过程中符合式(1)的放电终点电压采样值记为U_2L；在IPS放电回路内串联模拟高温电阻，重复标定流程，获得总间隔数相同的采样点集合，构成的高温标定曲线，记为U_1aHi、U_1bHi、U_1cHi、……；将高低温标定过程中符合式(1)的放电终点电压采样值记为U_2H。

5.如权利要求4所述的一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，步骤3)中，通过计算得到与干扰校验点对应的算子查找表，写入IPS内，具体步骤如下：

将上述低温标定曲线和高温标定曲线带入式(3)通过离线计算，得到与干扰校验点对应的算子查找表，结构如表1所示；

表1：校验点查找表离线计算

将上述算子查找表数据，以及高低温标定放电终点电压采样值(U_2H,U_2L)存储到IPS内部的非易失性存储器中；上述参数构成完整的IPS标定数据，参与IPS工作过程中的检测、计算和干扰消除的在线计算。

6.如权利要求5所述的一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，步骤4)中，IPS工作状态中，驱动线圈放电，控制ADC在所有干扰校验点时刻采样；将t₁时刻干扰校验点上的采样值和符合筛选条件的t₂时刻采样值作为输入，结合IPS内部存储的算子查找表计算得到临时查找表；具体步骤如下：

IPS系统正常作过程中，每个采样周期获得采样值U_2a、U_2b、U_2c、……以及U_1a、U_1b、U_1c、……；根据式(1)挑选出满足定义域要求以及平滑性要求放电终点采样值，记为U_2x；将满足式(2)的放电波形采样值记为U_1ax、U_1bx、U_1cx、……；将U_2x和查找表算子表带入式(4)计算对应每个标定点的临时查找表数据U_1aTi、U_1bTi、U_1cTi、……，i为标定点编号，结构如表2所示；

表2：校验点查找表在线计算

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7.如权利要求6所述的一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，步骤4)中，将t₁时刻干扰校验点的采样值与和相对应的临时查找表进行查找和计算，得到冗余接近距离；通过判断上述接近距离是否满足一致性条件，决定是否将本次测量周期认为是干扰异常周期从输出结果中剔除；具体步骤如下：

如表2所示，将采样值U_1ax、U_1bx、U_1cx、……与分别于各自对应的临时查找表进行对比；临时查找表U_1aTi里大于U_1ax的最小数所对应的编号，即为校验点a所对应的接近距离的整数位编号I_a；同理可求出其它校验点所对应的接近距离的整数位编号I_b、I_c、……；

根据式(5)，利用线性插值计算接近距离的小数位，与整数位加和，得到t_1a、t_1b、t_1c、……时刻校验点所对应的接近距离D_a、D_b、D_c、……；

8.如权利要求1所述的一种电感式位移传感器的干扰消除方法，其特征在于，步骤4)中，结合工程现场的干扰频率，有针对性地调整干扰校验点的采样时间，具体步骤如下：

对于工程现场测量发现的特定频率的干扰，将每两个校验点之间的时间间隔设置为该干扰频率对应周期的1/4倍或者3/4倍；测试并估计工程现场干扰的频率特征，使用上述方法设计若干个校验点，增强系统对若干特定频率干扰的筛查能力；

遍历所设校验点的时间间隔，找出对应于工程现场有可能出现的高风险频率；额外针对这些风险频率设置其1/4倍或者3/4倍周期长度的校验点间隔。