CN113008338B - 一种超长量程磁致伸缩液位计dac补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法。包括在波导丝表面形成扭转应力回波；检波装置接收回波信号并处理获得幅值和距离；并由检波装置记录；在量程范围内，回波信号的幅值均大于参考幅值；在量程范围外，对回波信号衰减后幅值小于参考幅值的进行增益补偿，计算游标磁环所在位置对应的幅值与参考幅值的比值，并将比值转化为输入电压，然后绘制距离‑输入电压曲线，从距离‑输入电压曲线上找到每个距离所对应的输入电压，并将输入电压输出施加到可变增益放大器上，从而实现磁致伸缩液位计DAC的补偿。本发明能够实时有效的监测回波幅值并将其放大至检波装置可识别的回波信号，为磁致伸缩液位计实现量程扩大化提供了一个新的方法。

Description

一种超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法

技术领域

本发明专利涉及一种仪器量程补偿技术，具体涉及一种利用DAC曲线特性，对磁致伸缩液位计测量时的回波衰减进行补偿的方法。

背景技术

液位计主要用来测量容器中液体介质的高低，多用于工业瓦罐的内部液位测量，其具有磁浮式，压力式，光纤式，磁致伸缩式等多种类型，磁致伸缩液位计是一种非接触式测量仪器，在测量中超声波脉冲由换能器发出，声波经波导丝传播并反射后被超声波接收器接收，通过磁致伸缩器件转换成电信号，并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离，该种方法几乎不受被测介质限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。

在磁致伸液位计检测系统的应用中，由于接收的超声波回波信号随着液面深度有着不同的衰减，因此需要对其信号进行一定的补偿，使用DAC补偿技术对信号进行分析与补偿可以有效减少因信号衰减所引起的误差。

DAC曲线指的是距离-波幅曲线，用来描述某一确定反射体回波高度随距离变化的关系，其常用在导波检测领域。在导波传播过程中，所有扭转波模态的导波其能量的衰减量与导波的声程呈负指数关系，因此，在液位计实际使用中，对于不同的液面深度导波有着不同的衰减率，而且难以测量，该发明提供了一种基于能量衰减的规律，绘制DAC曲线，并使用可变增益放大电路对传感器量程进行补偿的方法。

发明内容

针对超声波液位传感器利用磁致伸缩换能器激发的扭转模态导波根据深度不同回波有不同程度的衰减问题，本发明提出了一种基于超声回波在波导丝上的衰减规律，绘制距离-波幅曲线，并使用可变增益放大器，对回波振幅进行补偿的方法。通过对液面深度加大时逐渐放大增益，从而使得超声回波在传输衰减的过程中的得到相应的补偿，增大了回波信号的信噪比，提高了回波振幅在超长量程下的可识别性。

本发明的技术方案是：

本发明的超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法，具体包括以下步骤：

1)波导丝的激励端附近布置检波线圈，波导丝在远离激励端的位置布置游标磁环，磁致伸缩液位计的激励模块在波导丝的激励端施加查询脉冲，查询脉冲经过检波线圈后以光速在波导丝周围形成周向的安培环形磁场，安培环形磁场与游标磁环位置的永磁磁场发生耦合作用，在波导丝表面由于“魏德曼效应”形成扭转应力回波；

2)扭转应力回波以波速向波导丝的两端传播，传向波导丝激励端的扭转应力回波经检波线圈接收后再经增益电路输出放大后的扭转应力回波信号，增益电路的两输入端与检波线圈连接，增益电路的输出端与检波装置连接，检波装置接收扭转应力回波信号后处理获得扭转应力回波信号的幅值，并计算游标磁环所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x；

3)游标磁环在磁致伸缩液位计量程范围内移动时，检波装置不断记录游标磁环所在位置以及游标磁环所在位置对应的扭转应力回波信号的幅值，并将游标磁环所在位置和对应的扭转应力回波信号的幅值作为单个采集数据点；

4)以扭转应力回波信号的幅值随距离呈负指数衰减对采集数据点进行方程拟合，寻找游标磁环移动的最远位置，以及游标磁环移动的最远位置对应的幅值A，以游标磁环移动的最远位置对应的幅值A作为参考幅值A，游标磁环移动的最远位置是扭转应力回波衰减后能被检波装置识别的参考幅值A所对应的位置，在磁致伸缩液位计量程范围内，扭转应力回波信号的幅值均大于参考幅值A；

5)游标磁环在磁致伸缩液位计量程范围外移动时，以参考幅值A为基准，对扭转应力回波信号衰减后幅值小于参考幅值A的幅值进行增益补偿，具体进行以下判断：

若扭转应力回波的幅值小于参考幅值A，则进行增益补偿处理；

若扭转应力回波的幅值大于参考幅值A，则扭转应力回波信号直接被检波装置接收，不进行增益补偿处理。

所述步骤2)中计算游标磁环所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x，具体是：检波装置记录查询脉冲与接收扭转应力回波信号的时间差Δt，游标磁环所在位置与磁致伸缩液位计量程起点的距离x采用以下公式获得：

x＝vΔt

式中，v表示扭转应力回波的波速。

所述步骤5)中，进行增益补偿处理，具体是：记录扭转应力回波的幅值小于参考幅值A的所有采集数据点中的游标磁环所在位置以及所有采集数据点中的游标磁环所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x，磁致伸缩液位计量程起点为磁致伸缩液位计量程范围中靠近检波线圈的波导丝上的位置，并计算所有采集数据点中的游标磁环所在位置对应的幅值与参考幅值A的比值，并将比值间接转化为输入电压V_i，然后，绘制距离-输入电压曲线：

V_i＝(k₁x-b)/k₂

式中，k₁，k₂，b分别为线性关系的第一、第二、第三系数；

由每一个游标磁环所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x在距离-输入电压曲线上找到所对应的输入电压，并将输入电压输出施加到检波装置中的可变增益放大器上，从而实现了磁致伸缩液位计DAC的补偿。

所述的查询脉冲为激光脉冲形式。

本发明的有益效果是：

(1)通过绘制DAC曲线实现对磁致伸缩液位计在长量程工作状态下的精度补偿，通过可变增益放大器输出增益，对扭转应力回波的幅值进行补偿，使其达到与短量程工作状态下相同的信号增益，保证了扭转应力回波在波导丝传播后能被检波装置6接收，克服了磁致伸缩换能器在极大量程工作状态下出现回波峰值较小而不被传感器识别的缺点，提高了磁致伸缩线性位移传感器中回波的信号幅值，克服了磁致伸缩液位计在液面过低时检测系统识别不到导波回波的缺点。

(2)通过前期对DAC曲线的绘制，能够实现在超出正常量程的情况对扭转应力回波信号的衰减实现不同程度的补偿，使得回波幅值信号能够被传感器识别、通过时间管理芯片得出激励回路中扭转应力波与回波时间差，结合扭转波波速，达到实时检测液位高度的作用。

总述，本发明能够实时有效的监测回波幅值并将其放大至检波装置可识别的回波信号，极大提高了磁致伸缩液位计的检测量程，为磁致伸缩液位计实现量程扩大化提供了一个新的方法。

附图说明

图1为磁致伸缩液位计的工作示意图；

图2为本发明中补偿流程图；

图3为对超声波液位计进行逐点测试得到的DAC曲线图；

图4为补偿增益与距离的关系图；

图5为可变增益放大器输入电压与放大增益关系图；

图6(a)和图6(b)为补偿前后回波振幅的对比图。

图中，1查询脉冲、2检波线圈、3波导丝、4游标磁环、5增益电路、6检波装置。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，超长量程磁致伸缩液位计包括前置放大器、检波线圈、波导丝、可变增益放大器、控制器和检波电路，可变增益放大器、控制器和检波电路是检波装置内部的装置，前置放大器是前置放大器内部的装置，扭转应力回波信号经过前置放大器放大，再经过可变增益放大器放大后输入检波装置，检波装置计算出游标磁环与磁致伸缩液位计量程起点的距离，并将游标磁环与磁致伸缩液位计量程起点的距离的数字信号传给控制器，控制器根据距离计算得出可变增益放大器的输入电压，并经过数模转换将控制电压信号传入可变增益放大器。

如图1所示，超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法包括以下具体步骤：

1)波导丝3的激励端附近布置检波线圈2，波导丝3在远离激励端的位置布置游标磁环4，磁致伸缩液位计的激励模块在波导丝3的激励端施加查询脉冲1，查询脉冲1经过检波线圈2后以光速在波导丝3周围形成周向的安培环形磁场，安培环形磁场与游标磁环4位置的永磁磁场发生耦合作用，在波导丝3表面由于“魏德曼效应”形成扭转应力回波；具体实施的查询脉冲1为激光脉冲形式。

2)扭转应力回波以波速向波导丝3的两端传播，传向波导丝3激励端的扭转应力回波经检波线圈2接收后再经增益电路5输出放大后的扭转应力回波信号，增益电路5的两输入端与检波线圈2连接，增益电路5的输出端与检波装置6连接，检波装置6接收扭转应力回波信号后处理获得扭转应力回波信号的幅值，并计算游标磁环4所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x。

3)游标磁环4在磁致伸缩液位计量程范围内移动时，检波装置6不断记录游标磁环4所在位置以及游标磁环4所在位置对应的扭转应力回波信号的幅值，并将游标磁环4所在位置和对应的扭转应力回波信号的幅值作为单个采集数据点。

4)以扭转应力回波信号的幅值随距离呈负指数衰减对采集数据点进行方程拟合，寻找游标磁环4移动的最远位置，以及游标磁环4移动的最远位置对应的幅值A，以游标磁环4移动的最远位置对应的幅值A作为参考幅值A，游标磁环4移动的最远位置是扭转应力回波衰减后能被检波装置6识别的参考幅值A所对应的位置，在磁致伸缩液位计量程范围内，扭转应力回波信号的幅值均大于参考幅值A。

5)游标磁环4在磁致伸缩液位计量程范围外移动时，以参考幅值A为基准，对扭转应力回波信号衰减后幅值小于参考幅值A的幅值进行增益补偿，具体进行以下判断：

若扭转应力回波的幅值小于参考幅值A，则进行增益补偿处理；

若扭转应力回波的幅值大于参考幅值A，则扭转应力回波信号直接被检波装置6接收，不进行增益补偿处理。

步骤2)中计算游标磁环4所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x，具体是：检波装置6记录查询脉冲1与接收扭转应力回波信号的时间差Δt，游标磁环4所在位置与磁致伸缩液位计量程起点的距离x采用以下公式获得：

x＝vΔt

式中，v表示扭转应力回波的波速。

步骤5)中，进行增益补偿处理，具体是：记录扭转应力回波的幅值小于参考幅值A的所有采集数据点中的游标磁环4所在位置以及所有采集数据点中的游标磁环4所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x，磁致伸缩液位计量程起点为磁致伸缩液位计量程范围中靠近检波线圈2的波导丝3上的位置，并计算所有采集数据点中的游标磁环4所在位置对应的幅值与参考幅值A的比值，并将比值间接转化为输入电压V_i，然后，绘制距离-输入电压曲线：

V_i＝(k₁x-b)/k₂

式中，k₁，k₂，b分别为线性关系的第一、第二、第三系数；

由每一个游标磁环4所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x在距离-输入电压曲线上找到所对应的输入电压，并将输入电压输出施加到检波装置6中的可变增益放大器上，从而实现了磁致伸缩液位计DAC的补偿。

本发明的具体工作过程如下：

(1)选取最大有效量程7.62m磁致伸缩液位计，对其实施隔点扭转应力回波信号采集，改变游标磁环4的位置，并记录游标磁环4的位置与磁致伸缩液位计量程起点的距离x，在实际量程范围内每隔0.1m采集一次磁致伸缩液位计的扭转应力回波幅值，采集最大有效量程的扭转应力回波幅值并记录为A₁，在量程范围外每隔0.05m采集一次扭转应力回波幅值A_w，绘制距离-幅值曲线。

在磁致伸缩液位计工作中，若当前扭转应力回波幅值大于游标磁环4在磁致伸缩液位计量程起点时对应的扭转应力回波幅值的25％，即可被检波装置6识别，这也是指定传感器量程的依据，在扭转应力回波传播的过程中，扭转应力回波信号的幅值成负指数衰减，扭转应力回波信号的幅值与游标磁环4在伸缩液位计量程起点时对应的扭转应力回波幅值比值N可用以下表达式表示：

N＝k*e^-ax

其中k，a都是方程系数且大于0。

DAC曲线的绘制，就是基于扭转应力回波幅值衰减的规律，按照某一特征为基础，做出幅值-距离的曲线，在数据点完成后，依照此表达式计算出k，a的值，并画出拟合曲线，如图3所示。

(2)在量程外计算A_w与A₁的比值，即应给放大器施加的放大倍数，并转为DB单位，利用以下公式绘制超量程后需要补偿的增益补偿曲线。

G＝20*log(A₁/A_w)

其中，G表示为应施加的增益补偿值。

最终图像如图4所示，采集200组数据，绘制增益补偿曲线如以下公式所示：

A_V＝k₁x

式中，x表示游标磁环4所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离，A_V表示增益补偿值；

对距离-增益曲线进行数学拟合，并由此未知参数k₁等于1.21，进而反向计算超长量程下为后置放大电路设置的放大倍数。

(3)输入电压V_i与增益补偿A_V成线性关系如以下公式所示：

A_V＝k₂V_i+b

为了得到输入电压V_i与增益补偿A_V成线性关系中的未知参数k₂和b，在控制器得到检波装置输出的数字信号后，将输入电压V_i输出施加到检波装置6中的可变增益放大器上，每次增加0.05V，记录检波装置6中可变增益放大器增益倍数即为增益补偿值A_V，并在控制器中设置距离与增益补偿的线性转换方程如以下公式：

V_i＝(k₁x-b)/k₂

式中，k₁，k₂，b分别为线性关系的第一、第二、第三系数；

绘制的距离-输入电压曲线如图5所示，并计算方程出参数b等于-8.47，k₂等于12.1，由每一个游标磁环4所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x在距离-输入电压曲线上找到所对应的输入电压，并将输入电压输出施加到检波装置6中的可变增益放大器上，从而实现磁致伸缩液位计DAC的补偿。

(4)将磁致伸缩液位计布置在工业储蓄罐中，游标磁环嵌入浮子内，使其能够正常浮于液面表层，并随着液面下降而下降，波导丝外部包裹保护层，屏蔽层，以及绝缘层。

测量时，传感器电子仓中的激励模块会在磁致伸缩波导丝所在的回路施加-查询脉冲，查询脉冲经过检波线圈后以光速在波导丝周围形成周向的安培环形磁场，安培环形磁场与游标磁环位置的永磁磁场发生耦合作用，在波导丝表面由于“魏德曼效应”形成扭转应力回波，扭转应力回波以波速约2830m/s向波导丝的两端传播，传向波导丝激励端的扭转应力回波经检波线圈接收后再经增益电路输出放大后的扭转应力回波信号，检波装置接收扭转应力回波信号。由于回波信号的对称性，在绘制DAC曲线时，只需要分析信号的正值部分即可。

在检测到量程超出时，通过检波装置6中的控制器调整可变增益放大器，对扭转应力回波信号进行补偿，使其能被检波装置识别。控制模块计算出查询脉冲与接收信号间的时间差，再乘以扭转应力波在波导材料中的传播速度，即可计算出扭转波发生位置与测量基准点间的距离。

为了体现本发明方法对超长量程下传感器回波信号的补偿效果，采用传统的磁致伸缩液位计，每隔三米对其回波振幅进行一次采集，获得信号如图6(a)所示，之后采用本发明的方法对传感器增益进行补偿，获得信号如图6(b)所示，对比可以看出，传统的超声波液位传感器由于回波振幅随着距离增大而不断衰减，在超出测量范围后回波振幅难以被检波装置识别，本发明通过在超出一定量程后对其回波信号进行增益补偿，回波振幅稳定在检波范围之上，极大提升了传感器的灵敏度与量程。

由此可见，本发明通过DAC曲线计算并控制检波装置6中可变增益放大器输出增益，实现了对长量程下衰减较大的扭转应力回波信号的补偿，保证了磁致伸缩液位计两倍量程范围内下的扭转应力回波信号中皆能被检波装置识别，磁致伸缩液位计在长量程范围内依然有着可媲美实际量程内的准确度，该方法初步实现对超长量程游标磁环位置的实时精确测量，为超长量程磁致伸缩液位计的制作，以及现有磁致伸缩液位计量程的扩展提供了思路，具有突出显著的技术效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法，其特征在于：方法包括以下具体步骤：

1)波导丝(3)的激励端附近布置检波线圈(2)，波导丝(3)在远离激励端的位置布置游标磁环(4)，磁致伸缩液位计的激励模块在波导丝(3)的激励端施加查询脉冲(1)，查询脉冲(1)经过检波线圈(2)后以光速在波导丝(3)周围形成周向的安培环形磁场，安培环形磁场与游标磁环(4)位置的永磁磁场发生耦合作用，在波导丝(3)表面由于“魏德曼效应”形成扭转应力回波；

2)扭转应力回波以波速向波导丝(3)的两端传播，传向波导丝(3)激励端的扭转应力回波经检波线圈(2)接收后再经增益电路(5)输出放大后的扭转应力回波信号，增益电路(5)的两输入端与检波线圈(2)连接，增益电路(5)的输出端与检波装置(6)连接，检波装置(6)接收扭转应力回波信号后处理获得扭转应力回波信号的幅值，并计算游标磁环(4)所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x；

3)游标磁环(4)在磁致伸缩液位计量程范围内移动时，检波装置(6)不断记录游标磁环(4)所在位置以及游标磁环(4)所在位置对应的扭转应力回波信号的幅值，并将游标磁环(4)所在位置和对应的扭转应力回波信号的幅值作为单个采集数据点；

4)以扭转应力回波信号的幅值随距离呈负指数衰减对采集数据点进行方程拟合，寻找游标磁环(4)移动的最远位置，以及游标磁环(4)移动的最远位置对应的幅值A，以游标磁环(4)移动的最远位置对应的幅值A作为参考幅值A，游标磁环(4)移动的最远位置是扭转应力回波衰减后能被检波装置(6)识别的参考幅值A所对应的位置，在磁致伸缩液位计量程范围内，扭转应力回波信号的幅值均大于参考幅值A；

5)游标磁环(4)在磁致伸缩液位计量程范围外移动时，以参考幅值A为基准，对扭转应力回波信号衰减后幅值小于参考幅值A的幅值进行增益补偿，具体进行以下判断：

若扭转应力回波的幅值小于参考幅值A，则进行增益补偿处理；

若扭转应力回波的幅值大于参考幅值A，则扭转应力回波信号直接被检波装置(6)接收，不进行增益补偿处理。

2.根据权利要求1所述的一种超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法，其特征在于：所述步骤2)中计算游标磁环(4)所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x，具体是：检波装置(6)记录查询脉冲(1)与接收扭转应力回波信号的时间差Δt，游标磁环(4)所在位置与磁致伸缩液位计量程起点的距离x采用以下公式获得：

x＝vΔt

式中，v表示扭转应力回波的波速。

3.根据权利要求1所述的一种超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法，其特征在于：所述步骤5)中，进行增益补偿处理，具体是：记录扭转应力回波的幅值小于参考幅值A的所有采集数据点中的游标磁环(4)所在位置以及所有采集数据点中的游标磁环(4)所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x，磁致伸缩液位计量程起点为磁致伸缩液位计量程范围中靠近检波线圈(2)的波导丝(3)上的位置，并计算所有采集数据点中的游标磁环(4)所在位置对应的幅值与参考幅值A的比值，并将比值转化为输入电压V_i，然后，绘制距离-输入电压曲线：

V_i＝(k₁x-b)/k₂

式中，k₁，k₂，b分别为线性关系的第一、第二、第三系数；

由每一个游标磁环(4)所在位置与磁致伸缩液位计量程起点之间的距离x在距离-输入电压曲线上找到所对应的输入电压，并将输入电压输出施加到检波装置(6)中的可变增益放大器上，从而实现了磁致伸缩液位计DAC的补偿。

4.根据权利要求1所述的一种超长量程磁致伸缩液位计DAC补偿方法，其特征在于：所述的查询脉冲(1)为激光脉冲形式。