标定平台系统范文

标定平台系统范文（精选7篇）

标定平台系统 第1篇

在 (1) 中, y表示风速, x表示热线AD值, 这样热线就可以计算当前AD值下的风速, 进一步计算出流量。由于每个传感器探头参数不同, 导致 (1) 式系数各不相同, 所以每一只热式气体流量传感器均需要标定其多项式系数, 所以如何设计一个自动拟合曲线并解析其多项式系数然后下发到传感器的标定平台系统是提高热式流量传感器准确性和可靠性的关键。

1系统设计思路

热线标定平台系统一般从低风速往高风速标定, 其思路如下:首先通过变频器给定低频率, 使风道上的风速维持在恒定低风速 (大概0.6 m/s左右) , 8路数字量采集模块采集此刻热线的稳定的AD采样值和标准风速仪的风速, 通过力控组态软件分别写到excel两列表格中的第一个单元格, 在excel的另一列的第一单元格调用对数函数, 为AD值取对数, 然后力控软件改变给定频率, 通过数字量输出模块给到变频器, 使管道内风速恒定在1m/s以上的某个值, 同样采集此刻热线的稳定的AD值和标准风速依次分别写到excel先前两列的下一单元格, 再取其AD的对数, 然后再增加变频器的频率, 读取AD值和风速写到excel相应单元格中, 均匀增加风速到20m/s左右, 依照这样的方式读取17组AD值和风速值写到excel表格中, 最后通过excel的VBA脚本程序把17组AD对数值和风速值拟合成多项式曲线[2], 解析其多项式系数, 力控组态软件读取VBA程序解析的系数然后下发到热线, 即完成标定, 这样热线就可以准确的测量管道风速, 进而计算出流量。

2系统的硬件设计

2.1系统硬件组成结构

该系统最多可以标定4台热线, 其主要硬件有风道 (保证管道内风速恒定) 、分风筒、可调节大小的风门、变频器、风机、电机、变频器、标准风速仪表、TDAM数字量采集模块、i PAM数字量输出模块、RS-485转232串口以及PC机以及KJ692-F分站等组成, 如图1所示。其中风道是模拟煤矿现场的管道, 变频器用于改变风机电机的转速从而控制管道风速, TDAM数字量采集模块主要用来采集热线的AD值和标准风速仪的风速, i PAM数字量输出模块主要用于输出变频器的频率给定, KJ692-F分站用于控制变频器的启停。

2.2变频器的选择

本系统所选的变频器为艾塞康A121系列, 功率为8KW, 电机的控制方式采用空间电压矢量法, 输入电压等级为AC380V, 频率变化范围0.1-180Hz。该变频器的运行频率的设定有仪下几种方式:面板电位器, 面板按键, 外部5V电压给定, 外部10V电压给定, 外部0-20m A电流, 数字端口, 多段速端口等, 本系统采用外部0-20m A电流给定频率, 首先, 在变频器设置键盘上通过加减键把Pn 04设成2然后把Pn 03设成5, 然后上位机力控软件就可以通过i PAM数字量输出模块输出0-20m A (对应0.1-180Hz) 的电流给定。

3统的软件设计

3.1力控组态软件通信参数配置

在该系统中和力控组态软件通信的主要是RS-485、DDE和以太网三种通信方式。其中TDAM模块、i PAM模块及热线均采用485通信, 需要485转232串口实现和PC机的连接, 通信方式选择串口 (RS232/422/485) , 串口通信参数选择1200、偶校验、8和1, 不同设备选择不同的地址即可通信;DDE是力控软件和excel表格数据交换所遵循的规约, 可以直接在力控I/O设备组态里面把“服务器名”称改成excel, 把“主题名称”改成要通信的excel的表格名称即可通讯正常。

3.2 VBA拟合、解析多项式曲线

选择excel表格的后两列AD对数值和表准风速值这个区域, 调用区域选择的宏Active Chart.Series Collection (1) .Trendlines (1) .DataLabel.Select, 然后调用激活宏Active Sheet.Chart Objects (“图表3”) .Activate, 绘制图表。调用函数形成多项式函数s=Active Chart.Series Collection (1) .Trendlines (1) .Data Label.Caption, 然后再解析s函数多项式系数, 再把其系数依次写入excel空余的单元格内, 以便力控组态软件读取, 绘图解析后的结果如图2所示。

3.3主程序设计

本系统所有设备信息的上传下达和信息的交换是在PC机上的力控组态软件中完成的, 当他们通信有问题, 标校系统就会报警, 提醒操作人员采取措施, 防止标校出现错误。风速的调节通过变频器、风机和风速仪形成负反馈闭环控制, 使风速始终稳定在给定附近, 在力控脚本程序里面分配17组风速给定换算成变频器频率。数字量采集模块TDAM采集热线AD值和风速仪风速时, 为了模拟量采集值的稳定性和传输误差, AD值和风速现在力控内部读取十组值, 然后取他们的方差, 把AD值和风速值的方差写到excel单元格中, 然后增加风速给定读取下一组处理过的数值下发到excel表格, 直到写完17组数值, 在excel中通过VBA程序拟合多项式曲线, 解析其系数上传到力控软件, 然后通过力控软件把这个系数下发到热线传感器, 重新给定低频率, 重新标校下一个传感器, 其程序流程图如图3所示。

3.4主监控画面设计

主画面显示的主要参数是管道的热线的实时采集AD值和风速仪风速, 在主画面上显示各个连接设备的通信状态, 当其中任何一个出现故障时, 系统会声光报警, 提示操作人员, 故障排除后, 然后重新从出现故障时的风速值开始往下标定。当标定完成后, 系统会弹出闪烁的文字“标校已完成”, 并发出声音报警提示, 操作人员更换下一台未标定传感器。该系统还能实时动态显现管道内的风速流向, 电机的工作状态等。其具体主画面如图4所示。

结束语

基于力控组态软件的热式气体流量计标定平台系统, 设计了一种自动化的标定系统, 减少了人为标定中的个人主观干预带来的错误, 大大减少了标定时间, 提高了标定效率50%以上, 为传感器的大量生产提供可靠保证。该系统在投入使用后标定传感器十分稳定、可靠, 已经标定超过100台以上, 并且传感器现场使用情况良好。

参考文献

[1]孙承松, 李瑞.热式气体质量流量传感器研究与发展[J].传感器世界, 2005, 11 (10) .

标定平台系统 第2篇

光强值是光电检测过程中最常用到的测量参数。通过光电探测器将光信号转换成电信号再进一步处理,是进行光强值测量的常用方法。在光电检测的教学实验中,学生时常要通过光强计测量光强,光强计使用前的校准往往被忽略,对于测量值的准确性也不去多做关注;在实验内容的编排上几乎没有对检测设备本身性能的测试。在光电专业学生的毕业设计中也时常有光强测量相关的设计课题,完成过程中大多也主要关注测量功能的完成,对于准确度的关注较少。在光强计标定上,生产厂家多使用标准光源标定,在学生实践过程中受到仪器、环境等条件限制,往往不能保证提供标准光源进行实验。为强化学生对测试仪器本身性能的理解,对自制装置的进一步完善,设计了用于自制光强计标定的实验平台,对毕业设计及课外实践中自行设计的光强计进行标定,明确仪器标定的过程和方法。

2 设计原理

双通道可见光光强计标定实验平台包括光源部分、光路部分与电路部分,如图1。

光源部分的光源调节模块对光源器件发射光强进行调节。发射光束经分束镜分为两束等光强光线[1],一路进入高等级光强计测量,一路经全反射进入自制光强计测量;两路光束同步测量。由于光源经分束镜分为等光强的两束光,双光束在同步测量时可以抵消光源的波动,在光源的选取上就不再局限于标准光源。通过光源调节模块调节光源光强,从弱到强依次调节,每调节一次光源,同步测量并记录下两个通道的测量值。

以高等级光强计通道测量的一组信号作为标准,对自制光强计通道的一组信号修正,生成标定函数。将包含标定函数的测量程序固化在自制光强计内部。用自制光强计测量光强时,测量值经标定函数修正,可使得光强结果接近高等级光强计,提高自身测量精度。

3 电路设计

从实验平台结构图中可以看出,由于在光路上采用了双通道差分测量法,光信号进入光路部分,入射到分束镜,分束镜与入射光成4 5度夹角,入射光被分为光强相等的两束,透射光进入高等级光强计的光电接收窗口,反射光经一面与分束镜平行的全反射镜形成一路与透射光平行的光束,入射到自制光强计的光电接收窗口。

两束等光强的光信号在各自的通道上进行光电转换[2]。当光源有波动时,由于这两束光来源于同一光束,这两束光的波动情况完全相同,在光电接收窗口接收到的光强信号完全相同,在同一时刻所测得的电信号、光强值也应相同。为此,光源的波动对该标定装置不造成影响,光源的选取不再受标准光源的限制。光源的选取范围扩大,对光源的性能要求也大大降低,因此光源部分的电路设计较为简单。光路调整好后,实验平台的电路部分包含进行标定测量的高等级光强计、自制光强计和与两个通道相连的检测电路。高等级光强计一路的测量信号作为定标的标准值。

3.1 光源调节电路

光源调节电路主要对光源器件的光强进行调节,电路设计如图2所示。选取14引脚贴片封装的c8051f300单片机[3]做光源调节。该单片机体积小、运行效率高,支持在线调试,具备内部晶振电路简洁,有3个独立的16位定时计数器。利用定时计数器可实现脉宽调制功能,配合外部RC滤波电路可生成模拟量输出。当同步信号产生时,单片机调整定时计数器的定时常数,生成周期不变占空比发生变化的波形,实现脉宽变化,输出后经低通滤波生成与定时常数对应的模拟量,经放大器与场效应管组成的恒流源给光源提供电流,表现出不同光强。在光源调节的过程中,赋予定时计数器的数字量与光强值相对应。单片机每接收到一个同步信号调整一次数字量,实现光源强度由强到弱逐渐变化。

3.2 实验检测电路

实验平台的检测电路分两个部分,一是单片机执行部分,一是PC机执行部分。单片机传递同步信号给PC机,PC机接收单片机的电压测量值。

3.2.1 单片机执行电路

自制光强计的信号采集由单片机完成,单片机同时负责产生双通道的同步采集信号和光强变化信号。单片机c8051f300除了用于光强调整,在接收端也用于自制光强计通道的信号采集,自制光强计采用了光电转换的原理,内部有光电转换模块将光信号转换为电信号,光强值与该电压量对应,因此将自制光强计调整电路中的电压信号引出与检测电路中单片机的ADC输入端相连。

单片机的另一个定时计数器用于产生同步信号,在此信号下光源改变,启动ADC采集自制光强计电压值,同时送给P C机作为读取高等级光强计的外部触发信号。使得同一时刻等光强两束光的光强值和电信号同时被得到。每输出一次同步信号,光源改变一次,得到一个电压测量值。结合光源调节功能,需要对单片机的AD转换器,定时器0、1、2,进行初始化。定时器0、1用于脉宽调制,定时器2用于同步信号产生,在定时器2中断时中断服务程序流程如图3,要完成同步信号的输出、脉宽参数的修改及AD转换器启动。

3.2.2 PC机执行部分

高等级光强计配有通用串行接口可与P C机连接,通过数据读取单元读取光强值,光强值与电压量相对应。标准数据与测量值的比较标定环节数据量大、计算复杂,由PC机完成比用单片机更方便。

多组高等级光强计光强值与自制光强计电压值依次进入PC机数据标定单元。光强值I与电压值U应成线性关系,I=a U+b,a、b为拟合系数。由于自制光强计在电路设计上不能达到高等级光强计的标准,在测量过程中必定存在非线性,自制光强计的非线性主要体现在接近满量程的测量区域如图4,光强强度大时电压值较高,未标定测量值的高电压值区域显著偏离了高等级设备的测量结果。在数据标定单元对取得的多组光强-电压值做分段处理,高光强值区域I=h UH+bH,其余区域光强值I=a U+b。将光强值-电压量拟合的数据标定函数加入到自制光强计的运算代码中,通过在线下载电路将程序固化在自制光强计的内部程序存储器中。当自制光强计独立使用时,按电压值的大小,进入光强-电压拟合函数分段处理,可较准确的得到光强值。

4 结束语

该实验平台的双通道设计不再受标准光源的局限,充分利用了单片机AD转换和定时器的功能,结合PC机在数据运算上的优势,实现了自制光强计的标定。提高了自制仪器的测量精度,强化了学生在光电检测过程中对仪器性能的理解,及对仪器定标过程的认识。

参考文献

[1]肖韶荣,朱润,王亚吉.大气气溶胶消光系数检测系统设计[J].应用光学,2012.(3):255-259.

[2]江月松.光电技术与实验[M].北京:北京理工大学出版社,2000.

标定平台系统 第3篇

压电测力仪封装之后、使用之前,必须进行一次全面的技术上和性能上的标定[1]。标定目的是检查测力仪的技术性能指标是否达到设计要求,并建立输入输出关系[2]。

压电测力仪标定一般采用专用的标定装置完成,要求其具有足够的刚度、精度、合适的加载范围、可靠的自锁性和简便的操作性。文献[3]介绍了一种测力仪标定装置,它能实现三向力的加载,但它结构繁琐,且不能实现扭矩加载,无法对钻削测力仪进行标定。

针对上述问题,设计出一种结构简单、操作简便,适用于所有压电测力仪(或传感器)静态测试的标定平台,能完成静态灵敏度、线性、重复性、滞后以及横向干扰等指标的标定。

2 静态标定平台的原理和结构

2.1 原理

要实现压电测力仪的静态标定,首先必须了解压电三向力传感器(或测力仪)的测量特性。压电三向力传感器(或测力仪)能将作用于其上的任一方向力自动分解到传感器(或测力仪)制作时所设定的三维正交坐标系三个坐标轴上,并分别由各自方向的敏感单元感知输出。因此,要标定该传感器(或测力仪),标定平台必须在该传感器(或测力仪)设定的三维正交坐标系坐标轴方向上分别施加标准力。

2.2 结构

多功能压电测力仪静态标定台主要由基座1、支撑螺柱2、铅垂力标准测力环3、提升箱体4、铅垂力加载机构5、提升钢缆6、提升机7、水平力加载机构8、9、10等组成,如图1所示。为了有足够的刚度和稳定性,基座钢板厚度为60mm,上面装有两个支撑螺柱,螺柱上部分为Tr48×8的梯形螺纹,可调整提升箱体4的高度位置。基座上安装两个可调水平加载机构8和10,可用于施加水平力或扭矩,此外,另外一个固定水平加载机构9用于施加另一垂直方向的水平力。

3 三向力和扭矩标定

3.1 铅垂力加载机构

铅垂力加载机构5是由蜗轮蜗杆机构和滑动螺旋副[4]组成,从而可使成年操作者通过摇动手柄产生约50kN铅垂加载力,螺套顶端安装三级标准测力环,所标定的力值由测力环直接读取,如图2所示。

1.基座2.支撑螺柱3.铅垂力标准测力环4.提升箱体5.铅垂力加载机构6.提升钢缆7.提升机8,9,10.水平力加载机构

1.标准测力环2.螺套3.螺杆4.手轮5.蜗杆6.蜗轮7.锁紧螺母8.支撑螺柱

3.2 水平力加载机构水平加载机构要

1.标准测力环2.螺套3.防转销4.螺杆5.轴承6.螺母7.手轮

求在水平面内产生相互垂直的两个力,见图1中的8和9所示。通过摇动手轮带动螺杆转动,螺套因受防转销的限制只能前后移动不能转动,从而将手轮的转动转变为螺套的直线移动,施加的力靠螺纹自锁保持。螺套前端安装三级标准测力环,所标定的力值由测力环直接读取,如图3所示。

3.3 扭矩加载机构

扭矩标定采用力乘力臂的方法,通过两个可调水平力加载机构8、10实现。可调水平力加载机构下部为燕尾槽结构,可在水平面内平移一定距离形成力臂。标定时,两个测力环作用于连接传感器的力臂杆上,分别施加大小相等、方向相反的两个力,如图4所示。

4 精度与刚度

对标定装置最主要的要求是稳定性好、使用可靠,这样才能保证标定精度。为达到这个目的就必须对标定装置本身的精度和刚度提出一系列严格的要求。

4.1 精度

在标定装置设计中,应根据压电石英三向力传感器及测力仪本身的技术性能特点,合理地制定指标,而且必须具有一定的精度储备。这些精度指标的内容以及检定结果见表1。

表1中最后一列给出了该标定台相关精度指标的实测结果。可见,该标定台的各项精度指标要比压电石英测力传感器的使用精度高得多(约5~10倍),即标定装置有足够的精度储备。

4.2 刚度

刚度就是指标定台的各个加载机构在承受最大载荷时,影响被测元件标定精度的主要构件的变形程度,高刚性是保证标定台持久稳定工作的主要因素。

对新研制的标定平台进行专门刚度加载测试,见表2。根据测量结果计算可知:Z向刚度:Kz=204080N/mm,X向刚度:Kx=83330N/mm,Y向刚度:Ky=97800N/mm,完全满足传感器标定要求(一般要大于10000N/mm[5])。

5 结论

本文介绍了新型多功能压电测力仪标定平台的结构和原理,并给出了精度和刚度实测结果,结果表明该标定台相关技术指标达到CIRP-STCC规定的标准。无疑,该标定平台的研制解决了单向、双向力传感器、三向压电式测力仪以及钻削测力仪等静态标定。

参考文献

[1]孙宝元,张贻恭.压电石英力传感器及动态切削测力仪[M].北京:计量出版社,1985.

[2]袁希光.传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社,1986.

[3]许斌.压电式三维力传感器与多维力传感器标定装置关键技术研究[D].重庆:重庆大学,2009.

[4]成大先.机械设计手册(第三版)[M].北京:化学工业出版社,1993.

射孔仪器标定系统研究 第4篇

在射孔施工中, DB-3型数控仪和井下仪器共同作用把射孔器准确地定位于油气井的射孔深度上。随着油田进入开发后期, 薄油层被大量开采, 最薄的油层仅0.3m厚, 要想在1200m深度上射准这些薄油层, 要求射孔仪器深度定位控制误差<2.5/10000。而仪器在使用过程中, 不可避免地会因为元器件老化, 射孔枪引爆后的强烈震动, 引起电路失调或性能下降, 从而引起深度控制精度下降。因此研制了射孔仪器标定系统, 定期对数控仪和井下仪器进行校验与标定, 对技术性能不合格的仪器进行较准和修理, 以确保仪器对射孔器深度控制准确无误。

2 井下仪器标定系统

2.1 磁定位仪信号采集与处理

2.1.1 磁定位仪信号采集

将磁定位仪器与标定仪连接好后固定在支架上, 套管接箍模拟运动装置的伺服电机驱动套管接箍做正反向运动, 当套管接箍经过磁定位仪器时会产生接箍信号, 通过检测信号的技术指标来标定磁定位仪。

2.1.2 磁定位仪信号处理

磁定位仪信号处理电路原理如图1所示:

磁定位仪送出的接箍信号, 首先通过微分波形校正电路, 以消除耦合电路所造成的波形失真, 然后送到差动输入前置放大器进行放大。放大器采用单独的电源供电, 地线不与仪器总地线连接, 能有效地抑制共模干扰。放大后的信号经过阶数可选的低通滤波器, 滤除叠加在接箍信号上的高频干扰, 使得信号波形光滑无毛刺。再送到12位A/D转换器经采样、保持、转换、编码进行模/数转换, 其最小分辨率为4mV。由80C196单片机读取12位的二进制偏移码, 通过与计算机通讯, 将信号电压数字值送到计算机中。同时计算机将读取由套管接箍模拟运动装置发出的套管运动方向和移动距离, 经过标定仪程序处理后, 在屏幕上绘制出接箍信号图形, 供标定仪操作人员判读, 对照磁定位仪检测标准, 来判定被检测仪器合格与否。

2.2 伽马仪信号的采集与处理

2.2.1 伽马仪信号的采集

(1) 无放射源伽马仪信号采集

无放射源伽马仪信号对于射孔测量来说属于噪声信号, 但可反应出伽马仪对伽马射线的敏感度, 合格的伽马仪本底计数率约为5600—5800个/分钟。

(2) 有放射源伽马仪信号采集

当被检定的伽马仪进入稳定工作状态后, 把刻度器放在伽马仪的晶体部位, 1分钟后读取的伽马仪单位时间内的脉冲数即为在有放射源条件下的伽马仪计数率, 标准的脉冲个数为146cps。

2.2.2 伽马仪信号处理

被检定伽马仪所送来的脉冲信号, 先经过交流耦合电路, 以去除伽马仪供电电源的直流电平, 从中提取脉冲信号。而后经过高通滤波器滤除低频成分, 使信号零电平更加稳定。再经过基准电压可程控的电压比较器, 滤除因在信号传输过程中因微分效应而产生的过冲尖峰。再送入计数器进行计数, 80C196单片机定时读取计数值, 经过通讯把约定单位时间的记数值传送给计算机。

标定程序对所读取的脉冲数进行10点平均滤波, 然后输出波形, 供操作人员判读, 对照伽马仪检测标准, 来判定被检测仪器是否合格。

2.2.3 伽马仪高温测试

伽马仪按耐温指标分有两种:常规耐温120℃, 耐高温170℃。将被标定的伽马仪放入高温控制实验装置, 设定规定的温度值, 1小时后进行检测, 其各项技术指标不应下降。

2.2.4 伽马仪长期稳定性测试

对伽马仪通电1小时后, 其各项技术指标不应下降。

3 数控仪标定系统

3.1 集成式综合信号发生器

数控仪的深度、接箍信号和伽马信号处理等三大系统, 要定期标定。要想在实验室条件下实现对数控仪的标定, 就必须有高精度的信号源, 这种信号源所发出的测试信号, 是作为计量器具使用的, 其精度必须高于数控仪一个数量级 (10倍) 以上, 因此研发了集成式综合信号发生器, 它能发出检定数控仪所需的深度信号、接箍信号、伽马信号。

集成式综合信号发生器由深度信号发生器、套管接箍信号发生器、伽马脉冲信号发生器等三部分组成。

3.1.1 深度信号发生器

纵坐标表示深度脉冲信号的电压幅值, 横坐标表示时间。信号分为A、B两相, 相位差为90度, 以某一时间点上电平高低来判断谁的相位领先, 如图中B相领先A相90度, 深度解码电路以两路深度信号的其中一路作为基准, 对比另外一相的相位差, 依此来判断滑轮的转动方向, 单位时间内深度脉冲信号的个数就表示电缆运行速度。要求A、B两相之间相位差的误差不能大于5度, 信号电压幅值在4.5～5V之间, 指定发出4万个脉冲实际发出的脉冲数误差不能大于1个。另外, 深度信号的频率要可调, 最低速度为100m h, 最高速度为16000m/h, 调节的步长为100m/h。

3.1.2 套管接箍信号发生器

套管接箍信号发生器所产生的套管接箍信号单峰宽度在3～7cm范围内可调, 两个套管接箍信号间隔 (即单根套管长度) 在1～15m范围内可调, 最小调节步长为0.1m。信号的电压幅值在0.5～4V之间任意调节。

3.1.3 伽马脉冲信号发生器

伽马脉冲信号发生器所产生的伽马脉冲信号是矩形波, 电压在2～6V内可调, 脉冲宽度为25μs, 信号频率在10～500Hz内可调。

3.2 数控仪标定方法

3.2.1 深度系统的标定

标定仪和数控仪通电后预热15分钟后, 由标定仪向数控仪发送深度脉冲信号, 依照《射孔深度定位系统校验方法》中规定的判读点, 停止向数控仪发送深度脉冲信号, 把数控仪上显示的深度数值和标定仪对比, 各点深度数值误差均不得大于2cm。

3.2.2 套管接箍信号系统的标定

标定仪向送入套管接箍串信号, 信号幅值在0.5～4V之间任选, 数控仪连续测量并记录不少于5根套管的接箍信号曲线, 接箍信号识别率应达到100%。

3.2.3 伽马脉冲信号系统的标定

将标定仪伽马信号发生器的输出信号API值设为100, 读取并记录仪器屏幕所显示的测量数值。再将伽马信号发生器的输出信号API值为200, 再读取并记录仪器屏幕所显示的测量数值。数控仪显示的数值与信号发生器输出的数值误差不大于5%。

4 结论

称重系统中标定技术的探讨 第5篇

关键词：免标定,称重系数,量程系数

随着现代工业自动化发展的要求, 在工业过程控制方面称重系统的应用越来越多, 尤其是在传感器模块方面的应用也越来越多。例如冶金、石化等行业中许多过程控制用大料仓、大罐子的称重的场合, 在系统进行标定的时候存在许多实际操作的困难, 对于这些称重系统通常都很难加载重量, 通常用替代标定法, 这样不仅繁琐而且有时会付出昂贵的代价, 即使使用加载的方法, 通常只是加载到满载的5%~10%左右, 精度根本无法保证, 因此就提出是否不用加载重量的方式进行标定。

这种免加载标定的方法称之为电子标定法, 即用高精度模拟器模拟传感器在加载情况下的实际输出, 这种应用以前就有, 但精度很低。本文探讨的标定方法是通过测量, 计算在不同情况下系统各个相应环节的信号衰减, 如何更准确的模拟真实系统输入到仪表进行设定时的输出, 从而达到精确标定系统。

1 标定原理及称重系统组成

1.1 标定原理

参见图1:其中横坐标是加载的重量值, 纵坐标是仪表显示输出重量值, 由于总的输出值含有零点输出信号, 而零点总输出信号是一个与称重变化无关的常量, 所以需将零点输出从总的输出值中减去, 图中W0i是称的零点输出, Fs是调整斜率的, 即量程系数。称标定完的数据输出 (重量值) 可用下式表示:

其中:

Wci—标定完第i个传感器的输出重量值

Xi—第i个传感器输出值

Woi—为第i个传感器在空称台的输出重量值

Fci—第i个传感器的角差系数

Fs—系统量程系数

Wct—标定完的系统输出重量值

式中系统输出值X为初始测量值, 需得到标定后准确的重量值Wct, 必须求得量程系数及空称台输出重量值 (角差系数都认为1) 。为得到这两个系数则需要所谓的标定。标定时, 先记录下空称台的输出, 再加一个已知的重量, 得到的系统输出值, 即可算出系统的量程系数, 这是最关键的参数。这样系统就标定好了, 在以后的称重情况下系统输出值就为具体的重量值。

1.2 系统结构

系统构成参见下图:该免标定流程主要用传感器模块、接线盒、仪表、模拟器、电缆、数字万用表等组成。

在以上一节的标定原理的分析中我们可以得知, 只要知道系统的量程系数及在空称台下的输出, 系统就可以标定了, 如果没有载荷可加, 只要知道系统量程系数那么系统也可以进行标定, 系统免加载标定原理对模拟传感器系统是通过传感器模拟器来模拟加载情况下的传感器输出并计算系统的量程系数。

2 免加载的标定实施方案

从上面分析可知, 在不加载标定的关键是确定系统的量程系数, 只要知道量程系数就可以实现免加载标定, 下面将系统分为数字系统及模拟系统分别进行讨论。

2.1 数字系统的实施方案

在免标定中一般角差是不能做调整的, 因为调整角差即相当于调整了各个传感器的灵敏度, 模拟系统因无法得知灵敏度调整的大小, 所以不做调整。数字系统如果希望免加载标定的时候考虑角差影响, 可以通过一个未知重量的重物进行角差调整。

实际运用说明:

角差系数是用来平衡每个传感器载重的, 如果每个传感器的角差系数为1, 则整个系统的输出为传感器输出之和, 这里的角差调整可以通过测试系统在每个角上的总的输出, 然后计算出各个角的角差系数。

如:取150t数字汽车衡, 用8只40t数字传感器 (额定输出为60000内码) , 角差调整如下:

加载重块于各角, 读取仪表各角的总输出值:Wct=∑1-8Wci

数据表:测试数据及新角差系数

2.2 模拟系统实施方案

1) 首先统计传感器灵敏度S1, S2, ...Sn。取得单个传感器的容量C, 测量零载时的输出Z, 加载模拟器Zmv/v相对应的仪表输出值Y, 根据称的量程确定量程系数Fs, 这样可根据W= (X-Z) *Fs计算出最终输出值。

2) 为克服一些场合因机械原因带来的误差, 致使免加载标定不能满足较高精度的需求, 这种情况可用小砝码加替代物标定的方法进行系统的精确标定。

方法:

1) 先按一般标定方法用小砝码标定一遍, 得到第一个从零载到一定重量 (小砝码重量) , 应用时的量程系数a。

2) 加替代物到一定重量 (显示重量为小砝码重量左右, 此时的量程系数为a1) 再加小砝码重新标定, 得到第二个从小砝码重量到2倍小砝码重量应用时的量程系数a2。

3) 加替代物到显示重量为2倍小砝码重量左右, 再加小砝码的重新标定, 得到第二个从小砝码重量到3倍小砝码重量应用时的量程系数a3。

4) 得到一系列的量程系数, 在仪表中根据需要确定是适当的量程系数。

3 结语

免加载标定时一种无法再现场实现砝码标定, 取而代之的电子标定方法, 其精度关键取决于如何准确的模拟在传感器加载情况下的整个系统的输出, 需要计算各种情况下信号的损失以及系统之间的相互关系等。从以上讨论中可以看出数字系统要比模拟系统标定时方便了很多, 且产生误差的环节更少, 因此, 也是称重系统发展的一个方向。

参考文献

[1]刘九卿.国内外称重系统的发展概况.衡器, 2001.

[2]周祖濂.数字称重系统——称重技术新概念[J]衡器, 2005.

[3]李科杰.新编传感器技术手册.国防工业出版社, 2002.

[4]施汉谦, 宋文敏.电子秤技术.中国计量出版社, 1990.

[5]Karl Hoffmann.Applying the Wheat stone Bridge Circuit.HBM, 2005.

[6]Simulation Projects.Optimization Redesign.2004.

空调系统制冷剂标定 第6篇

考虑到汽车空调运行工况的复杂性,为了使汽车空调发挥最大或最优性能,通常需要对系统最优化充注量进行实验分析。在最优制冷剂充注量下汽车空调能够在大多数工况下保持比较稳定的性能。

选取充注量实验工况十分重要,本文选取中等车速下的典型环境工况作为实验条件:蒸发器进风温度38℃,相对湿度40%,冷凝器进风温度38℃,鼓风机最大风速,冷凝器迎面风速80km/h,车速80km/h。为了保护压缩机和保证实验顺利进行,在实验开始之前系统预先充注了大约700g制冷剂,在系统各测量参数稳定10分钟后,逐次增加50g并记录数据。在实验过程中,压缩机吸气压力、排气压力、蒸发器出风温度、蒸发器出口过热度和冷凝器出口过冷度是主要测量参数。实验过程中测量制冷剂充注量的电子称量程为30kg,测量精度+/-0.1g。

由于空调环模仓中各环境室的空间较大,所以系统连接管路要比实际汽车空调系统中的连接管路长很多,这对精确分析系统充注量带来了不便。但制冷剂相变都是发生在换热器中,各连接管路中的制冷剂都是处于单相状态且管路的隔热效果较好,制冷剂物性几乎保持不变,所以只要能够测量各个管路进出口的压力、温度等参数就可以获得制冷剂的热物理参数,从而可以根据实际系统中管路长度和管内直径计算出管路中含有的制冷剂质量,获得比较准确的系统充注量。

1、系统最佳充注量分析

图1显示了在不同充注量下各测量参数的变化曲线。

在系统中,膨胀阀根据蒸发器出口过热度来控制阀口开启程度从而控制流量。刚开始加入制冷剂量较少,此时过热度很大,蒸发器中所有制冷剂都蒸发成气体,且阀的开度全部打开。随着制冷剂量的增加,制冷剂流量也会逐渐增加。这样蒸发器换热量和压缩机功耗也会增加,也会使得冷凝器放热量慢慢增加。为了能够增大换热量,冷凝器中的饱和温度和饱和压力都会上升,因此冷凝器制冷剂侧和空气侧的进口传热温差(Inlet Temperature Difference,ITD)也会增加。随着制冷剂量增加到一定程度,蒸发器出口过热度逐渐减小并且膨胀阀开始有调整开度的可能。这个充注量就是所谓的“最小有效充注量”。从图1中可以看出,对于汽车空调综合性能台架上的基准系统和强化系统来说,他们的最小有效充注量在1000g左右,此时蒸发器出口过热度开始可以保持一定的稳定性,大约为16～18℃之间(根据测量位置不同温度有所不同)。在这之后,系统中多余的制冷剂将贮存在储液干燥器中。如果储液干燥器充满,那么冷凝器会有更多的传热面积用来将饱和液体冷却成过冷液体。

对于蒸发器来说,从起始充注量开始,逐步增加制冷剂充注量,蒸发器的换热量逐步增大,那么蒸发器的出风温度会逐渐降低。当系统充注量达到最小有效充注量时,膨胀阀开始有能力通过蒸发器出口过热度进行流量控制。当储液干燥器也充满的时候,系统的运行压力会升高,也会导致蒸发器的饱和温度升高,从而导致ITD降低,减少换热量,也会使得蒸发器出风温度升高和车室内舒适性降低。

对于冷凝器来说,在系统充注量较少时,冷凝器出口的过冷度一般为0或者很小(根据测量位置不同温度有所不同)。随着充注量的增加,冷凝器出口开始出现过冷度并逐渐增加。在储液干燥器逐渐充满时,冷凝器出口过冷度曲线出现一个比较稳定的平滑阶段,对于不同结构的冷凝器和系统来说,这段冷凝器过冷度值是不一样的。对于基准系统所用的普通平行流冷凝器来说,出口过冷度的稳定值保持在5℃左右。而对于过冷式冷凝器来说,由于储液干燥器在最后两个制冷剂流程之前,这两个流程的进一步冷却制冷剂使得出口过冷度更大,一般能够保持在10℃左右。

对于压缩机来说,在达到最小有效充注量之前,压缩机排气压力不断上升,然后排气压力将保持到储液罐充满。当有更多制冷剂液体出现在冷凝器中时,压缩机排气压力将会进一步上升。在起始阶段,压缩机吸气口过热度非常大,随着充注量的增加,压缩机吸气口温度进一步降低,压缩机排气温度也会进一步降低。需要特别指出的是,在一些极端情况下,如果系统中的充注量非常小,这种状况对压缩机来说非常有害,因为在这种情况下,压缩机润滑油在高温下可能失效。

2、结论

根据上述对系统充注量充注过程的分析,从图1中可以看出,在达到最小有效充注量之后过冷度和其他参数曲线会有一段保持平滑,之后这些参数将会发生明显的波动。对于确定系统充注量来说,这个平滑段就是最佳充注量的有效区间,在实际操作中,充注量通常会取平滑曲线的中点,这样可以防止系统长时间微小泄漏带来的性能下降。根据图1所示曲线,本文所述系统的最佳充注量分别为1100g。

摘要：为使空调系统获得最大或最优制冷性能,需要对空调系统制冷剂充注量进行标定,使空调系统在最佳充注量下发挥最佳性能。

关键词：制冷剂,空调系统,R-134a,标定

参考文献

[1]刘向农.汽车空调冷凝器的匹配设计研究[J].合肥工业大学学报,2002.2(25).

[2]吴宝志.汽车空调[M].北京:宇航出版社,1991.96-20.

基于栅格识别的测量系统快速标定 第7篇

关键词：摄像机标定,二维平面网格靶标,栅格识别,击中-击不中,畸变校正

引言

在视觉测量技术中, 摄像机标定是测量的前提和基础, 标定精度对测量结果有着重要影响[1]。摄像机标定是指建立摄像机图像像素与场景点位置之间的关系, 其途经是根据摄像机模型, 由已知特征点的图像坐标和世界坐标求解摄像机的模型参数[2]。

文章提出基于栅格识别的测量系统快速标定方法, 利用制作精良、可夜间工作的二维平面网格靶标实现单平面传统标定。栅格识别主要利用图像处理相关知识, 改进传统形态学击中-击不中 (HMT) 算法, 准确检测出网格节点, 引入最小二乘拟合, 双线性插值算法校正系统畸变, 快速实现摄像机垂直像素当量和水平当量的标定。

1 标定原理与靶标设计

在传统标定方法中, 为求解摄像机的全部参数, 采用三维标定块或者多次标定法。然而在特定应用中, 并不需要知道摄像机的全部参数。例如, 在大部分二维测量系统中, 摄像机外部参数可以被忽略, 或目标物体的放置位置与摄像机位姿固定, 部分外部参数已知, 利用单幅图像便可标定摄像机内部参数。再比如, 对具体的尺寸测量系统而言, 检测目标是物体待测尺寸, 不用测出物体表面各点的空间几何位置对应关系。因此文章提出基于二维平面网格的摄像机快速标定方法, 利用平面靶标实现一次标定的方法操作简单、快速, 更适用于系统测量工程应用。

1.1 单平面标定原理

假设不考虑镜头畸变, 保持标定平面与摄像机光轴垂直, 建立摄像机透视模型如图1所示, 靶标平面坐标系为XW-YW, 视为在世界坐标系中ZW=0, 实际图像像素坐标系为XS-YS。在图1中, 世界坐标系中的点M1 (Xw1, Yw1, 0) , M2 (Xw2, Yw2, 0) , 与图像平面中m1 (u1, v1) , m2 (u2, v2) 分别对应, 则存在下式:

上式中, L1和L2称为系统的像素当量, 指每个像素代表的实际长度值。在测量系统中, 当被测物体和靶标处于同一位置时, 根据标定的水平、垂直像素当量L1、L2, 以及待测物特征点的像素坐标, 便可确定物体的大小、形变等特征。

1.2 2D平面网格靶标设计

文章设计了二维平面网格靶标系统, 相对与三维靶标更易于操作, 尺寸可以制作的非常精确, 且在背光照明系统中应用方便。系统主要由平面网格靶标, 摄像设备、望远装置、计算机构成。望远装置安装在摄像设备的前端, 摄像设备通过接口与计算机连接。靶标前方贴有精确刻度的栅格漫反射防水膜, 灯箱底色为黑色且不透光, 网格线为红色且透光;灯箱体外设有光线传感器, 箱内有光线控制器和散射光源, 其中散射光源由光线控制器控制其开关。系统组成如图2所示。

2基于改进HMT算法的系统标定

(1) 制作二维平面靶标, 获得栅格点的世界坐标; (2) 获取原始栅格图像; (3) 利用图像处理相关知识识别栅格, 得到栅格的像素坐标; (4) 根据式 (1) 、式 (2) 计算系统水平和垂直像素当量, 实现系统标定。

2.1 图像预处理

图像预处理主要用于滤除待标定图像的干扰噪声以及对光照不均的修正。其中典型算法有中值滤波、高斯滤波、top-hat算法、同态滤波算法等。由于后续点集提取算法均针对二值图像, 常用的二值算法有otsu二值化。这些算法在大量文献中都有详细介绍, 在此不赘述。如图4, 是采用otsu二值化后的网格图像。

2.2 栅格识别

在数字图像处理技术中, 击中-击不中变换 (HMT) 经常用于检测具有特定结构形状的像素, 然而针对实际网格图像, 不能找到一个唯一确定的结构元素对来准确识别出网格全部交叉点。因此文章改进了传统HMT算法, 引入自定义阈值, 能准确识别出所有栅格点。

定义结构元素对B, 相似性阈值T, 根据改进HMT算法, 扫描二值化的预处理图像, 计算以该点为中心的局部方块与结构元素的相似性, 只有当该点的相似值大于阈值T才认为该点为十字交叉点。最后根据栅格的几何约束特性去掉点集中的干扰数据最终准确识别出栅格点。

2.2.1 改进HMT算法

传统HMT算法定义为设定两个非空不相交结构元BFG、BBG, 结构元素对B={BFG, BBG}, 对目标集合X作击中-击不中变换 (HMT) 的结果是x的点集, 当且仅当B的原点与X一致, 并且BFG可填入X, BBG可填入X的补集XC:

ε (*) 为腐蚀运算, 定义为:

其中Bx表示结构B平移x个像素。

利用HMT算法可以提取与给定领域结构完全匹配的所有像素。但实际图像由于光照不均、噪声影响等因素影响, 二值化后的局部网格图像形状、大小不完全一致, 不一定呈现完整的十字结构, 一般包含如下几种图像:

(图中每个小方块代表一个或几个像素点, “●”表示坐标原点)

针对以上情况, 通过标准HMT变换, 无法定义一个唯一结构元素对, 使得所有网格被完全检测。因此, 需对传统HMT算法进行改进, 将算法中完全匹配条件弱化为相似匹配:即选择结构元素对B, 通过扫描图像X计算以该点为中心的局部像素集与结构元素的相似度S, 设定相似性阈值T, 当该点相似度S大于T, 则认为该点是目标点, 反之则不是。

其中, “∽”--计算结构元素与局部目标图像的相似度符号;T1, T2--自定义阈值。

相似度S按下式计算:

“⊙”为同或运算符, 即运算符左右两边相同则结果为1, 不同为0;NB为结构元素B的像素数目。

2.2.2 过滤干扰点

改进HMT算法输出为点集{ (x0, y0) , (x1, y1) , .., (xn, yn) }, 其中包含了毛刺、干扰等数据点, 因此首先根据点集的数据曲线来剔除毛刺, 进一步可利用网格间的长宽约束特性来滤除干扰。利用约束去干扰的具体算法如下:

横向坐标点集{x0, x1, .., xn}存在:

2.3 畸变校正

建立畸变前后的一个映射表是最直接最简单的畸变校正方法, 在文献[4]中有详细介绍, 其过程如下:

(1) 在实际成像过程中, 由于镜头畸变, 通过交叉点提取算法得到的点集 (xi', yi') (i=0, 1, .., m) , 是畸变后的交叉点位置。

(2) 径向畸变被认为是摄像机畸变的主要因素, 则图像中心的畸变最小或是零畸变, 选取图像最中心的几个交叉特征点, 利用最小二乘原理使残方差最小, 进行直线拟合。由此获得的特征点是没有畸变的理想交叉点坐标 (xi, yi) (i=0, 1, .., m) 。

(3) 建立校正点的坐标映射表 (xi', yi') → (xi, yi) 。对图像中任一点 (非校正点) 的畸变映射采用对其邻近校正点的映射关系做双线性插值得到, 以完成整幅图像的映射表建立。

3 实验与分析

由于实验条件有限, 二维平面网格靶标采用打印的网格纸代替, 靶标中每一小方格的大小为8mm×8mm。采用Matlab7.9仿真标定过程。原始的二维网格图像如图5所示, 图6是对输入图像进行otsu二值化→改进HMT算法→过滤干扰点后得到的目标节点。从图5可以看出, 本次实验拍摄的图像径向畸变不明显, 甚至可以忽略。只需对其做扭转校正, 结果如图8所示。最后随机选出12个节点计算像素当量, 标定结果见表1。

使靶标与摄像机保持3-5m的距离, 令图像中第一个网格交点的世界坐标为 (0, 0) , 其图像坐标为 () , 根据标定结果取L1=0.1766, L2=0.1741, 随机选取6个栅格交叉点, 反推这些点的世界坐标位置, 根据表2所示:

4结束语

文章提出了一种利用二维平面网格靶标实现摄像机部分参数的快速标定方法。该方法只需校正畸变和标定像素比例, 避免了计算摄像机全部参数, 更适用于图像测量系统、距离测量等工程应用。文章详细描述了系统的标定原理、给出了易于制作的、可以全天候工作的二维平面靶标设计方案。同时, 结合数字图像处理的相关知识, 改进了形态学击中-击不中算法, 将完全匹配条件弱化为模糊匹配, 检测出目标节点。最后利用最小二乘拟合、双线性插值校正系统径向畸变。实验结果表明, 通过改进HMT算法标记的节点与目标节点完全吻合, 系统操作简单快, 标定结果精度高, 且还可以通过制作更精良的靶标, 来进一步提高系统精度。

参考文献

[1]朱枫, 周静, 郝颖明.基于几何方法的摄像机内外参数求解[J].计算机工程与应用, 2005.

[2]张广军.机器视觉[M].北京:科学出版社, 2005.

[3]徐经纬, 郝泳涛.基于平面方格点的摄像机标定改进算法[J].计算机工程, 2010.