CN116989651B - 用于海洋平台的电涡流位移传感器及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海洋平台的电涡流位移传感器及其校准方法，该电涡流位移传感器在进行校准时先进行标定，绘制电涡流位移传感器针对不同金属被测物环境温度、间隔距离、输出电压三个坐标的三维曲面，并将其转换为标定函数进行存储，电涡流传感器在使用过程中先根据初始的间隔距离及环境温度确定所对应金属被测物的材质，这样就能确定所要使用的校准函数，进而该电涡流传感器检测过程中就能将实时检测的环境温度、输出电压输入到该校准函数进行计算对误差进行校准，消除因海水温度或被测金属物材质不同而带来的误差，能大幅提升电涡流位移传感器的检测精度，满足电涡流位移传感器在海洋平台自动化系统中的使用要求。

Description

用于海洋平台的电涡流位移传感器及其校准方法

技术领域

本发明涉及一种电涡流位移传感器，特别涉及一种在海洋平台上使用的电涡流位移传感器及这种电涡流位移传感器的误差校准方法。

背景技术

电涡流位移传感器是一种利用感应涡流原理测量金属被测物位移或距离变化的传感器。其工作原理为：电涡流位移传感器工作时探头产生高频变化的磁场，当金属被测物体靠近探头的较近位置时，金属被测物体产生涡流，涡流再生涡流磁场，磁力线方向与探头线圈相反，由此改变了探头的阻抗，引起振荡电路的振荡电压幅值发生变化，变化后的振荡电压经电压检测电路并滤波放大后，形成输出电压，这样根据输出电压的大小就可判断传感器探头距金属被测物体的距离。

海洋平台是一种为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物，随着海洋开发的不断发展，海洋平台被大量建造，现有的海洋平台上都配备有先进的自动化系统。由于海洋环境的特殊性，海洋平台大部分部件位于水下，普通的位移传感器很难被使用，电涡流位移传感器为非接触式位移传感器，且具有较好的防护性能，因此在海洋平台自动化系统中被大量使用。

然而在实际使用过程中发现由于海洋环境的影响，这种电涡流传感器会产生一定的误差，产生误差的原因主要有两点：1）海水温度：由于不同深度的海水温度是不同的，而处于不同温度环境下的金属被测物其产生的涡流往往存在一定的差异，这样会影响传感器的输出电压，进而影响传感器检测精度；2）金属被测物体材质：由于海洋平台建造的需要，特别是因为防腐蚀的需要，海洋平台上往往会采用多种不同材质的金属件进行建造，而不同材质的金属件产生的涡流往往也存在一定的差异。这些都也会对电涡流传感器的检测精度造成影响。而随着海洋平台自动化系统技术要求不断提高，对传感器的检测精度要求也越来越高，现有普通的电涡流位移传感器已经很难满足海洋平台的使用需求。本发明专利的目的就是提供一种能在海洋环境下提高电涡流位移传感器检测精度的校准方法以及采用该校准方法的电涡流位移传感器。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于设计一种具有输出精度高、能更好满足海洋平台自动化系统使用的电涡流位移传感器及其校准方法。

一种用于海洋平台的电涡流位移传感器的校准方法，其包括如下步骤：

S1：选择某种金属材料作为金属被测物，固定电涡流位移传感器与金属被测物之间的距离，按一定温度间隔使环境温度逐渐上升，检测电涡流位移传感器的输出电压Vout与环境温度T的对应关系并在坐标系内进行标注，将坐标系内标注点进行拟合，得到电涡流位移传感器针对该金属材料输出电压与温度的关系曲线图f1；

S2：在恒定温度下，按一定距离间隔改变电涡流位移传感器与金属被测物之间的距离，检测该电涡流位移传感器的输出电压Vout与间隔距离D的对应关系并在坐标系内进行标注，将坐标系内标注点进行拟合，得到电涡流位移传感器针对该金属材料的输出电压与间隔距离的关系曲线图f2；

S3：将关系曲线图f1、f2合成为包括环境温度、间隔距离、输出电压三个坐标的三维曲面，并构建与该标准三维曲面对应的多项式函数，该多项式函数即为电涡流位移传感器针对该金属材料的标定函数；

S4：选择多种不同的金属材料作为金属被测物，重复S1至S3，得到多种不同金属材料的标定函数，将多种不同金属材料的标定函数进行存储作为该电涡流位移传感器的标定函数库；

S5：将电涡流位移传感器安装在海洋平台上，根据海洋平台自动化系统设计参数，确定海洋平台自动化系统初始状态下电涡流传感器与要检测的金属被测物之间的初始距离D1，检测当前环境温度T1及电涡流位移传感器的实际输出电压Vout1，将初始距离D1、环境温度T1分别代入标定函数库中的各个标定函数中计算相应的输出电压并与实际输出电压Vout1进行比较，计算结果与实际输出电压Vout1相同的标定函数所对应的金属材料即为被测金属物的材料，将该被测金属物的材料所对应的标定函数作为校准函数；

步骤6：在电涡流位移传感器进行检测时，将实时检测的环境温度及输出电压代入到该校准函数中，通过该校准函数计算出电涡流位移传感器与金属被测物之间的实际距离，进而计算出金属被测物的位移。

优选的，步骤S1中环境温度范围为-40℃至85℃，温度上升间隔为0.1°C。

优选的，步骤S2中距离间隔为0.1mm。

优选的，步骤S3中中构建多项式函数的具体步骤如下：

S31：在标准三维曲面上选取多个坐标点导入到MATLAB软件中绘制一个初始三维曲面；

S32：在MATLAB中，输入cftool语句，调用函数拟合工具，选用多项式拟合方式；

S33：设置多项式拟合中X、Y参数的最高次幂及变量的系数限定置信区间，通过多项式拟合方式对初始三维曲面进行拟合；

S34：将拟合曲面与标准三维曲面进行比较，如拟合曲面与标准三维曲面的相似度小于规定阈值，则重复步骤S33对拟合曲面进行优化；如拟合曲面与标准三维曲面的相似度大于等于规定阈值，则该拟合曲面对应的多项式函数即为标定函数。

优选的，步骤S33中设定的X参数最高次幂为三次方、Y参数的最高次幂为四次方、变量的系数限定置信区间为95%，所对应的标定函数为：

其中：/>表示间隔距离、x表示环境温度、y表示输出电压、/>表示多项式系数。

优选的，步骤S31中选择步骤S1、步骤S2的标注点作为坐标点导入到MATLAB软件中绘制初始三维曲面。

本发明专利还公开了一种采用上述校准方法的用于海洋平台的电涡流位移传感器，其包括：探头，所述探头内设有线圈，所述线圈用于产生高频磁场，并通过感应金属被测物中电涡流所产生的交变磁场产生阻抗信号；前置器，所述前置器与所述探头连接，所述的前置器用于产生高频激励信号给所述探头的线圈，并且通过信号处理电路对探头发送的阻抗信号进行信号处理，将阻抗信号转换为输出电压；温度检测模块，所述温度检测模块用于检测环境温度；标定函数存储模块，所述标定函数存储模块用于存储标定函数库中的标定函数；控制模块，所述控制模块与所述前置器、温度检测模块及标定函数存储模块连接，所述控制模块可调用标定函数存储模块中的标定函数，根据输出电压、环境温度或与金属被测物的间隔距离中的任意两个参数计算出另一个参数，并能根据计算结果判断金属被测物的材料或计算金属被测物的位移。

优选的，所述前置器的信号处理电路包括检波电路、滤波电路、信号放大电路及整流电路。

优选的，所述前置器中还设有一比较电路，所述比较电路与所述整流电路连接，所述比较电路与一报警模块连接。

优选的，该电涡流位移传感器设置有CAN总线接口，所述控制模块与所述CAN总线接口连接。

上述技术方案具有如下有益效果：该电涡流位移传感器在进行校准时先进行标定，绘制电涡流位移传感器针对不同金属被测物环境温度、间隔距离、输出电压三个坐标的三维曲面，并将其转换为标定函数进行存储，电涡流传感器在使用过程中先根据初始的间隔距离及环境温度确定所对应金属被测物的材质，这样就能确定所要使用的校准函数，进而该电涡流传感器检测过程中就能将实时检测的环境温度、输出电压输入到该校准函数进行计算对误差进行校准，消除因海水温度或被测金属物材质不同而带来的误差，能大幅提升电涡流位移传感器的检测精度，满足电涡流位移传感器在海洋平台自动化系统中的使用要求。

附图说明

图1为本发明电涡流传感器校准方法的流程图。

图2为本发明实施例的标准三维曲面图。

图3为本发明实施例构建多项式函数的流程图。

图4为本发明实施例电涡流位移传感器的结构框图。

图5为本发明实施例前置器的信号处理电路结构框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

如图1所示，本发明公开了一种用于海洋平台的电涡流位移传感器的校准方法，其具体包括如下步骤：

S1：在电涡流位移传感器使用之前先对电涡流传感器进行校准标定，先选择某种海洋平台建造中需要使用的金属材料作为金属被测物，固定电涡流位移传感器与金属被测物之间的距离D，控制环境温度，使环境温度按一定温度间隔逐渐上升，作为一种具体实施例，环境温度范围为-40℃至85℃，温度上升间隔为0.1°C，检测每个间隔温度该电涡流位移传感器的输出电压Vout与环境温度T，并建立相应的坐标系，如取环境温度T为x轴坐标，输出电压Vout为y轴坐标，将检测的数据逐一进行标记，再将坐标系内标注点进行拟合，这样就可得到电涡流位移传感器针对该金属材料的输出电压与温度的关系曲线图f1。

S2：将环境温度固定在一个恒定温度T下，改变电涡流位移传感器与该金属被测物之间的距离，按一定的等间隔距离进行变化，距离变化范围可根据海洋平台自动化系统所要检测的最大位移距离和最小位移距离进行限定，距离间隔大小为0.1mm。通过电涡流位移传感器检测输出电压Vout与间隔距离D的对应关系，并建立相应的坐标系在坐标系内进行标注，如取间隔距离D为x轴坐标，输出电压Vout为y轴坐标，接着将该坐标系内的标注点也进行拟合，这样就得到电涡流位移传感器针对该金属材料的输出电压与间隔距离的关系曲线图f2。

S3：将得到的关系曲线图f1、f2合成为包括温度、距离以及输出电压三个参数的标准三维曲面（如图2所示）。根据该标准三维曲面构建与其对应的多项式函数，通过多项式函数对该标准三维曲面进行表示。如图3所示，根据标准三维曲面构建与其对应的多项式函数具体步骤如下：

S31：在标准三维曲面上选取多个坐标点导入到MATLAB软件中绘制一个初始三维曲面。作为一种具体实施方式，上述坐标点可直接选用在步骤S1、S2中标注点的坐标作为坐标点导入到MATLAB软件中绘制初始三维曲面。

S32：在MATLAB软件中，输入cftool语句，调用函数拟合工具，选用多项式拟合方式；

S33：设置多项式拟合中X、Y参数的最高次幂及变量的系数限定置信区间，通过多项式拟合方式对初始三维曲面进行拟合，在进行曲面拟合时多项式系数可通过系统自动生成；

S34：将拟合曲面与标准三维曲面进行比较，如拟合曲面与标准三维曲面的相似度小于规定阈值，则重复步骤S33对拟合曲面进行优化；如拟合曲面与标准三维曲面的相似度大于等于规定阈值，则该拟合曲面对应的多项式函数即为标定函数。

S4：根据需要，选择海洋平台上所使用的多种不同的金属材料分别作为金属被测物，重复上述步骤S1至步骤S3，这样就可得到多种不同金属材料的标定函数，将多种不同金属材料的标定函数存储在传感器的存储模块中作为该电涡流位移传感器的标定函数库。

S5：该电涡流位移传感器在使用时，将电涡流位移传感器安装在海洋平台自动化系统的相应位置，通过电涡流位移传感器先初步确定金属被测物的材质。由于海洋平台自动化系统在建造过程中针对电涡流位移传感器及对应的金属被测物之间的初始距离都有明确的设计要求（如在设计图纸上明确表明在初始状态电涡流位移传感器与对应金属被测物之间距离为5cm）。在使用时先使海洋平台自动化系统处于初始状态，根据海洋平台设计参数确定该电涡流位移传感器与对应的金属被测物之间的初始距离D1，同时通过温度检测模块检测当前电涡流位移传感器所处海洋环境温度T1，并检测该电涡流位移传感器的实际输出电压Vout1，将初始距离D1、环境温度T1分别代入标定函数库中的各个标定函数中计算相应的输出电压并与实际输出电压Vout1进行比较，计算结果与实际输出电压Vout1一致的标定函数所对应的金属材质就是金属被测物的材质，将该被测金属物的材料所对应的标定函数作为该电涡流位移传感器的校准函数。

S6：在确定好校准函数后，该电涡流位移传感器就可正常使用，在使用过程中通过温度检测模块实时检测海洋环境温度T，并实时检测电涡流位移传感器的输出电压Vout，将实时检测的环境温度T及输出电压Vout代入到校准函数中，通过该校准函数计算出电涡流位移传感器与金属被测物之间的实际距离，根据前后检测的实际距离的变化就可进一步计算出被测金属物的移动位移。

在实际使用过程中，设备需要维护、维修更换金属被测物，因设备的升级或实际维修需要，更换的被测金属物材质可能会有变化，因此需重新将海洋平台自动化系统处于初始状态，通过电涡流位移传感器判断更换后的金属被测物的材质，并重新确定需要使用的校准函数。标定函数库中的标定函数可动态进行更新，以满足不同材质金属被测物的需要。

该电涡流位移传感器的校准方法通过建立相应的标定函数库，在使用过程中能够先对检测的金属被测物的材质进行判断，并在测试过程中实时检测环境温度，这样就能有效避免因为金属被测物材质及环境温度造成的传感器测量精度差的问题，能有效提高海洋平台上使用的电涡流位移传感器的测量精度，满足海洋平台自动化系统的使用要求。

在上述步骤S3中，多项式中X、Y参数的最高次幂、变量的系数限定置信区间、曲面相似度阈值的设置可根据传感器的精度要求进行设置，要求精度越高，最高次幂的次数越高，系数限定置信区间越大、相似度阈值越大。作为一种具体实施例，设定多项式拟合的X参数最高次幂为三次方、Y参数的最高次幂为四次方、变量的系数限定置信区间为95%，相似度阈值为99%，拟合后所对应的标定函数为：

其中：/>表示间隔距离，x表示环境温度，y表示输出电压，/>表示多项式系数，多项式系数可由系统自动生成，无需进行计算。

如图4所示，本发明还公开了一种电涡流位移传感器，其主要包括探头1、前置器2、控制模块3、温度检测模块4、标定函数库存储模块5及报警模块6。前置器2、温度检测模块4、标定函数库存储模块5均与控制模块3连接。探头1内设有线圈，线圈用于产生高频磁场，并通过感应金属被测物中电涡流所产生的交变磁场产生阻抗信号。前置器2与探头1连接，前置器2用于产生高频激励信号给探头的线圈，并且对探头发送的阻抗信号通过信号处理电路进行信号处理，将阻抗信号转换为输出电压。

如图5所示，前置器2的信号处理电路包括检波电路21、滤波电路22、信号放大电路23及整流电路24。检波电路21用于对接收到的阻抗信号进行检波处理，滤波电路22用于对阻抗信号进行滤波处理，信号放大电路23用于对阻抗信号进行放大处理，整流电路24用于将放大后的阻抗信号转换为直流电压信号并向外输出，发送给控制模块3。上述电路均为现有技术，故电路的结构不再详细描述。

温度检测模块4用于检测电涡流位移传感器所处的环境温度，并发送给控制模块3。标定函数库存储模块5内存储有采用上述电涡流位移传感器校准方法构建的标定函数库中的标定函数。控制模块3可在电涡流位移传感器安装后，先根据温度检测模块4检测的环境温度、前置器2输出的直流电压信号及初始状态时与被测金属物之间的距离判断该被测金属物为何种材料；在电涡流位移传感器实时检测时，控制模块3根据确定的金属被测物材料选择相应的校准函数，将检测环境温度及输出电压输入到该校准函数中，通过校准函数计算出该电涡流位移传感器与金属被测物之间的实际距离，进而根据前后检测的实际距离的变化计算出被测金属物的移动位移。

作为一种具体实施方式，前置器中还设有一比较电路25，比较电路25与整流电路24连接，比较电路25用于将整流电路24输出的直流电压值与一规定阈值进行比较，整流电路24输出的直流电压值小于规定阈值时，说明电涡流位移传感器可能出现故障，比较电路25与一报警模块6连接，这样可通过报警模块6进行故障报警。

作为一种具体实施方式，该电涡流位移传感器设置有CAN总线接口，控制模块3、报警模块6、标定函数库存储模块5均可直接与该CAN总线接口连接，通过CAN总线与上位机连接，供上位机实时检测金属被测物位移的变化，从而实现海洋平台自动化系统的自动控制。同时通过CAN总线还能对标定函数库存储模块5中的标定函数进行更新，这样就无需再对传感器本体就行拆卸，方便设备的更新维护。

该电涡流位移传感器采用了超厚钛合金外壳，使其在深海的检测中具备高抗腐蚀和高抗压能力，可以在深海1000m以下的环境中稳定可靠的工作；同时生产过程中使用金属与橡胶生长工艺，使得电缆和钛合金外壳生长为一体从而实现了高防水等级IP69K。

该电涡流位移传感器设置有专用的温度检测模块和标定函数库存储模块，标定函数库存储模块中存储有标定函数库，采用该电涡流传感器进行检测时能够对金属被测物的材质进行识别，同时能到环境温度金属实时检测，这样就能有效避免因金属被测物材质及环境温度造成的传感器测量精度差的问题，能有效提高海洋平台上使用的电涡流位移传感器的测量精度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种用于海洋平台的电涡流位移传感器的校准方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：选择某种金属材料作为金属被测物，固定电涡流位移传感器与金属被测物之间的距离，按一定温度间隔使环境温度逐渐上升，检测电涡流位移传感器的输出电压Vout与环境温度T的对应关系并在坐标系内进行标注，将坐标系内标注点进行拟合，得到电涡流位移传感器针对该金属材料输出电压与温度的关系曲线图f1；

S2：在恒定温度下，按一定距离间隔改变电涡流位移传感器与金属被测物之间的距离，检测该电涡流位移传感器的输出电压Vout与间隔距离D的对应关系并在坐标系内进行标注，将坐标系内标注点进行拟合，得到电涡流位移传感器针对该金属材料的输出电压与间隔距离的关系曲线图f2；

S3：将关系曲线图f1、f2合成为包括环境温度、间隔距离、输出电压三个坐标的标准三维曲面，并构建与该标准三维曲面对应的多项式函数，该多项式函数即为电涡流位移传感器针对该金属材料的标定函数；构建多项式函数的具体步骤如下：

S31：在标准三维曲面上选取多个坐标点导入到MATLAB软件中绘制一个初始三维曲面；

S32：在MATLAB中，输入cftool语句，调用函数拟合工具，选用多项式拟合；

S33：设置多项式拟合中X、Y参数的最高次幂及变量的系数限定置信区间，通过多项式拟合方式对初始三维曲面进行拟合，多项式拟合中设定的X参数最高次幂为三次方、Y参数的最高次幂为四次方、变量的系数限定置信区间为95%，所对应的标定函数为：

其中：表示间隔距离、x表示环境温度、y表示输出电压、/>表示多项式系数；

S34：将拟合曲面与标准三维曲面进行比较，如拟合曲面与标准三维曲面的相似度小于规定阈值，则重复步骤S33对拟合曲面进行优化；如拟合曲面与标准三维曲面的相似度大于等于规定阈值，则该拟合曲面对应的多项式函数即为标定函数；

S4：选择多种不同的金属材料作为金属被测物，重复步骤S1至步骤S3，得到多种不同金属材料的标定函数，将多种不同金属材料的标定函数进行存储作为该电涡流位移传感器的标定函数库；

S5： 将电涡流位移传感器安装在海洋平台上，根据海洋平台自动化系统设计参数，确定海洋平台自动化系统初始状态下电涡流传感器与要检测的金属被测物之间的初始距离D1，检测当前环境温度T1及电涡流位移传感器的实际输出电压Vout1，将初始距离D1、环境温度T1分别代入标定函数库中的各个标定函数中计算相应的输出电压并与实际输出电压Vout1进行比较，计算结果与实际输出电压Vout1相同的标定函数所对应的金属材料即为被测金属物的材料，将该被测金属物的材料所对应的标定函数作为校准函数；

S6：在电涡流位移传感器进行检测时，将实时检测的环境温度及输出电压代入到该校准函数中，通过该校准函数计算出电涡流位移传感器与金属被测物之间的实际距离，进而计算出金属被测物的位移。

2.根据权利要求1所述的一种用于海洋平台的电涡流位移传感器的校准方法，其特征在于，步骤S1中环境温度范围为-40℃至85℃，温度上升间隔为0.1°C。

3.根据权利要求1所述的一种用于海洋平台的电涡流位移传感器的校准方法，其特征在于，步骤S2中距离间隔为0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于海洋平台的电涡流位移传感器的校准方法，其特征在于，步骤S31中选择步骤S1、步骤S2的标注点作为坐标点导入到MATLAB软件中绘制初始三维曲面。

5.一种采用权利要求1所述校准方法的用于海洋平台的电涡流位移传感器，其特征在于，其包括：

探头，所述探头内设有线圈，所述线圈用于产生高频磁场，并通过感应金属被测物中电涡流所产生的交变磁场产生阻抗信号；

前置器，所述前置器与所述探头连接，所述的前置器用于产生高频激励信号给所述探头的线圈，并且通过信号处理电路对探头发送的阻抗信号进行信号处理，将阻抗信号转换为输出电压；

温度检测模块，所述温度检测模块用于检测环境温度；

标定函数存储模块，所述标定函数存储模块用于存储标定函数库中的标定函数；

控制模块，所述控制模块与所述前置器、温度检测模块及标定函数存储模块连接，所述控制模块可调用标定函数存储模块中的标定函数，根据输出电压、环境温度或与金属被测物的间隔距离中的任意两个参数计算出另一个参数，并能根据计算结果判断金属被测物的材料或计算金属被测物的位移。

6.根据权利要求5所述的用于海洋平台的电涡流位移传感器，其特征在于：所述前置器的信号处理电路包括检波电路、滤波电路、信号放大电路及整流电路。

7.根据权利要求6所述的用于海洋平台的电涡流位移传感器，其特征在于：所述前置器中还设有一比较电路，所述比较电路与所述整流电路连接，所述比较电路与一报警模块连接。

8.根据权利要求5所述的用于海洋平台的电涡流位移传感器，其特征在于：该电涡流位移传感器设置有CAN总线接口，所述控制模块与所述CAN总线接口连接。