电涡流传感器范文（精选9篇）
电涡流传感器 第1篇
关键词：电涡流,钞票,厚度,传感器
0前言
电涡流厚度检测具有成本低、线性范围大等优点。通过选择合适的频率点和被测金属材料,可用于检测金属材料的位移。通过机械结构把钞票厚度转换成金属材料位移的变化,可以用于测量钞票厚度。
在ATM机和纸币清分机中,钞票的厚度检测是必需的功能,通过钞票的厚度特征可以识别钞票上粘贴的胶带和折角等,从而剔除不合格钞票。由于胶带可能粘贴在钞票上的任何位置,所以厚度检测必须能够覆盖整张钞票的范围,需要设置紧密排列的多路厚度传感器,每路厚度传感器的结构相同,检测原理也相同。通过多路独立的厚度传感器检测出来的信号,拼接成整张钞票的厚度特征,从而识别钞票厚度是否有异常。
1 电路原理
原理框图如图1所示,由晶体振荡器、CPLD、驱动电路、电涡流谐振电路、检波电路、比较放大、基准电压产生、A/D转换器、CPU等部分组成。
1.1 晶体振荡器
采用有源晶振,提供稳定的频率给电涡流线圈作为激励源,系统的频率稳定性取决于此晶振。
1.2 CPLD
晶体振荡器产生的振荡信号输入CPLD,经过CPLD分频后,输出2个不同频率的信号到驱动电路,再输出到电涡流线圈。共有12路电涡流线圈,分别是A1~A6、B1~B6,A和B的工作频率不同,A和B在PCB板上交替排列,防止互相干扰,如图2所示。
1.3 输出驱动电路
用于提高CPLD输出信号的驱动能力,驱动电涡流线圈工作。
1.4 电涡流谐振电路
由电涡流线圈和谐振电容组成。应该谐振在工作频率的附近。
1.5 检波电路
负责检出经过谐振电路分压后的高频信号包络。
1.6 比较放大
把检波输出电压和基准电压相减后放大输出,以得到较高的分辨力,输出到A/D。
1.7 基准电压产生
每路传感器的基准电压可通过IIC接口调节,用于和检波输出电压相减,以补偿结构或电路的差异造成检波输出电压的不一致。
1.8 A/D转换器
用于把放大输出的传感器模拟信号转换为数字信号,采样速率和采样时间受CPU控制。
1.9 CPU
控制A/D转换器进行传感器信号采集、非线性修正等。
2 厚度传感器结构原理
厚度传感器的机械结构原理如图3所示,由1条基准轴和12个浮动轮构成。基准轴固定在两侧框架上,要求旋转起来圆周的跳动尽可能小。浮动轮围绕着转轴上下运动,被测金属片固定在浮动轮上,随浮动轮一起上下运动。电涡流线圈固定在电路板上,位置固定不变。弹簧负责给浮动轮施加压力,使浮动轮紧贴基准轴。限位片用于防止浮动轮横向移动。基准轴和浮动轮紧贴在一起旋转,钞票经过两个轮子之间时,浮动轮会被顶起,造成被测金属片和电涡流线圈距离发生变化,通过检测顶起的高度,可以得知钞票的厚度情况。
3 厚度测量方法
首先需要厚度自校准,相当于自学习的过程。先让厚度组件空转,测得传感器输出电压,称为零值电压,然后使用1张标准厚度的测试钞票,称为校准钞,以正常速度通过厚度组件,测得传感器输出电压,此电压减去零值电压,得到电压变化量,然后转换成100μm厚度对应的传感器输出电压变化量,即为K值。比如校准钞的厚度为110μm,对应的电压变化量为550m V,则100μm的电压变化量为100/110×550=500m V,即K值为500m V。假设厚度组件是稳定的,那么其K值应该恒定不变,后续的测量可以此为基准。
正常点钞时厚度检测,每次点钞前都会让厚度组件空转,先测得零值电压,然后开始点钞,用测得的钞票厚度电压减去零值电压,得到的电压变化量通过K值换算成实际的钞票厚度。即如果测得的厚度电压变化量为600m V,那么厚度为600/500×100=120μm。
实际使用时由于振动、机械磨损的影响,使金属片和传感器的距离发生变化,由于距离和传感器输出的关系不是线性的,所以相当于厚度K值发生了变化,为了补偿K值的变化,需要在使用前先进行非线性修正。
4 非线性修正方法
首先,通过人工测量的方法得到传感器输出电压Vs和检测距离(金属片到传感器的距离)的关系曲线。设基准电压的调节范围为Vbmin~Vbmax,Vo的变化范围为Vomin~Vomax,且Vo=(Vs-Vb)×G,G为放大倍数。实际使用时,要给Vo预留上下变化的范围,要求没有钞票时Vo=Vomax/2。调节金属片到传感器的距离D,使Vs在Vbmin+Vomax/2/G到Vbmin+Vomax/2/G之间变化,得到传感器输出电压Vs和检测距离的关系曲线,如图4所示。该关系曲线存储在CPU的非易失存储器中。该关系如表1所示。
实际测量前,先对厚度组件进行校准,得到当前工作点的K值Kw。然后CPU根据当前基准电压Vb和比较放大 输出Vo的值 , 可以计算 出当前Vs值Vsw=Vo/G+Vb,CPU通过查找内部存储的关系曲线,计算出Vsw点的斜率Bw。假设Vsw处于Vs1和Vs2之间,那么Bw=(Vs2-Vs1)/(D2-D1)。
实际测量时,同样根据基准电压Vb和比较放大输出Vo的值,可以得出当前的Vs值Vsv。查表计算出Vsv点的斜率Bv,那么当前的K值Kv=Bv×Kw/Bw。即实现对K值的非线性修正。
5 结束语
电涡流缓速器及其养护 第2篇
电涡流缓速器及其养护
在汽车制动过程中,大多数是适应性制动,即车辆无需制动停止,只是达到减速的目的`.应用缓速器制动取代制动器的频繁制动,可降低制动器过热乃至制动失灵的危险,缓速器可提高车辆制动系统的可靠性和延长使用寿命.
作 者：王凯峰 Wang Kaifeng 作者单位：陕西法士特齿轮有限责任公司齿轮传动研究所刊 名：城市公共交通英文刊名：URBAN PUBLIC TRANSPORT年，卷(期)：“”(1)分类号：U4关键词：
电涡流传感器 第3篇
（1．华北水利水电学院土木与交通学院，河南 郑州 450011；2．湖南大学风工程试验研究中心，湖南 长沙 410082）
引 言
吸能减振是结构振动控制的一种重要方式，主要有调谐质量阻尼器 （TMD），调谐液体阻尼器（TLD）与调谐液柱阻尼器 （TLCD）等形式。TMD最早可以追溯到1947年Den Hartog提出的动力吸振器，作为一种被动控制装置，原理简单，设计方法较为成熟，且实用可靠［1～3］。典型的应用有：改善高层高耸结构的抗风性能、大跨度桥梁的风振振动控制、长悬臂空间结构与人行桥的人致振动控制、结构的地震响应控制等［4～8］。
TMD主要由质量块、调谐频率的弹性元件与耗散结构振动能量的阻尼元件三大组件构成。弹性元件主要有弹簧、摆与悬臂梁等方式。采用弹簧作为弹性元件的优势是刚度比较容易设计与调整，且所需空间小，尤其适合竖向TMD采用。水平TMD常采用摆与悬臂梁等形式，摆式相对而言，需要较大的空间，如在桥梁等结构的主梁内部安装将存在困难，复摆可在一些程度上解决这一问题；悬臂梁式所需空间适当，且无需导向，但是悬臂梁的固定端部存在应力集中现象，在TMD长期工作中，有可能发生疲劳损伤。至于阻尼元件，小型TMD的阻尼构件一般采用橡胶等高阻尼材料，大型TMD则采用液体粘滞阻尼器等。但是，橡胶材料存在老化，以及刚度与阻尼不易分离的缺点，粘滞阻尼器存在漏油和不易养护等问题。而且，TMD的阻尼在后期均很难调节。
电涡流阻尼作为一种极有前途的阻尼形式，目前主要用于航天结构振动控制、汽车刹车与高速列车制动等，研究成果也比较丰富［9］。电涡流阻尼具有非接触、无机械磨损等优点，在振动控制领域中有着广泛的应用前景。然而，其在土木工程中的研究与应用，目前还比较少见。Larose等基于电涡流阻尼原理制作了用于控制全桥气弹模型风致振动的微型TMD，并通过风洞试验验证了良好的减振效果［10］。同济大学的万重和楼梦麟等开发了采用电磁铁提供励磁磁场的小型电涡流TMD，并开展了建筑结构的地震振动台减震效果试验。然而，基于电涡流阻尼的现有TMD均属概念性研究，本文拟研制直接面向实际工程应用的大吨位永磁式电涡流TMD［11，12］，并进行性能测试与简化理论分析。
1 永磁式电涡流TMD设计
1．1 基本参数
根据课题组的前期研究成果［7］，某大跨度人行桥减振项目需要安装3套竖向TMD，以分别控制人行桥的3阶竖弯模态（固有频率分别为1．65，1．88与2．05Hz）振动，对应的TMD活动质量分别为14．16，13．31与4．06t。可见为满足该桥减振需要，至少需要研制1t级的单台TMD减振装置。本文拟研制的竖向TMD样机质量715kg、振动频率1．9～2Hz、阻尼比6%，据此计算得到的TMD刚度系数、阻尼系数分别为101．90～112．91kN／m，1．02～1．08kNs／m。
1．2 刚度构件
竖向TMD的刚度元件采用螺旋压簧，并通过摩擦小、导向性能好的直线轴承导向，TMD频率的微调拟通过改变TMD的质量实现。若采用4根压簧，则单根弹簧的刚度系数为25．47～28．23kN／m。表1给出了TMD压簧的全部设计参数，此时对应的弹簧刚度系数为27．44kN／m。值得说明的是，为了更好地维持竖向TMD活动质量的平衡与稳定运行，压簧的中径一般要适当加大。
表1 压簧的设计参数Tab．1 Design parameters of the compressed spring
1．3 电涡流阻尼构件
永磁式电涡流阻尼构件主要有两部分组成，即导体板、永磁体。理论上讲，同等条件下，导体板的导电性越好，产生的电涡流阻尼就会越大。因此，本文选取具有较高导电系数、价格相对适中的紫铜作为导体板材料，且铜板厚度δ取5mm。
由文献［13］可知，电涡流阻尼的大小与导体板内外的主磁感应强度的平方成正比，而磁场强度的大小又与永磁体磁性的强弱及磁路的设计密切有关。钕铁硼（NdFeB）是目前发现的商品化性能最高的磁铁，被人们称为磁王，拥有极高的磁性能，其最大磁能积比常用的铁氧永磁体高10倍以上。而且，NdFeB具有接近线性的退磁曲线，良好的机械加工性能，工作温度最高可达200°C［14］。试验采用性价比较高的N35牌号NdFeB矩形永磁体，由宁波某稀土公司生产。其主要参数有：剩磁感应强度1．2T；矫顽力与内禀矫顽力分别为8．7×105Am－1，9．6×105Am－1；最大磁能积为 2．8×105Jm－3；长（a）、宽（b）与高（h）分别为10，10与5cm，其中高度方向（Z向）为永磁体的充磁方向，坐标系如图1所示。永磁体型号与形状选定后，接下来就是要估算永磁体的块数。
图1 矩形永磁体的坐标系Fig．1 The coordinate of a rectangular permanent magnet
为数值计算电涡流及其产生的阻尼力大小，首先必须研究永磁体的空间磁场分布。Gou等基于分子环流模型和毕奥－萨伐尔定律，推导出了单方向均匀、完全充磁的矩形永磁体空间磁场分布的解析表达式［15］。Gou等研究表明单块矩形永磁体空间任意位置的磁感应强度大小仅仅通过一个参数，即电流密度JM的大小即可确定［15］。试验采用中国科学院半导体研究所研制的高斯计，测试得到磁体上表面中心点P（a／2，b／2，h）的主磁感应强度分量Bz为0．40T，采用Gou等的研究结果计算得到电流密度JM＝9．55×105A／m2［15］。图2（a）与（b）分别给出了z＝5．3cm，z＝5．8cm时（即分别位于磁体上表面上方0．3，0．8cm高度），Bz在XY平面的分布情况。从图中可以看出，Bz主要分布在永磁体的投影面内，且大小基本相等；在投影面外Bz衰减很快，相对投影面内，其大小基本可以忽略不计。
图2 矩形永磁体的磁场分布Fig．2 Magnetic flux density distribution of a rectangular permanent magnet
若忽略数值相对较小的Bx对电涡流阻尼的贡献（与TMD运动同向的By对电涡流阻尼无任何贡献），且假设导体板位置处的Bz大小处处相等，根据文献［13］可得电涡流阻尼系数cv的简化公式
式中σ表示导体的导电系数，δ与S分别表示导体的厚度与表面积。参照图2的磁场分布结果，若Bz取为0．2T，对应目标阻尼系数1．02～1．08kNs／m，则永磁体磁化表面积为0．086～0．091m2；若Bz取为0．3T，磁化面积为0．038～0．040m2。出于保守考虑，共设8块永磁体，永磁体磁化表面积总和为0．08m2。永磁体与导体板的平面布置如图3所示，其中相邻磁体N，S极交替布置，其目的在于形成较短的磁回路，减小磁势损耗。
图3 永磁体与导体平面布置图Fig．3 Layout plan of permanent magnets and conductive plates
2 TMD性能测试与分析
经过多次试验后研制的TMD样机如图4所示，主要组件见图中文字标注。在TMD的试制过程中，主要围绕TMD的电涡流阻尼装置装配工艺与直线轴承设计、选型开展优化研究。
TMD阻尼比的测试采用自由振动法，各工况测试时均将TMD初始位移先置于最大位置（行程5cm），然后瞬间自由释放，采用压电式加速度传感器记录TMD的自由振动加速度衰减时程曲线。图5（a）与（b）分别给出了不安装与安装导体板（永磁体与导体板间的距离即磁场间隙d＝5mm）对应的TMD自由振动加速度衰减时程曲线。从图中可以看出：TMD的机构固有阻尼较低，加设导体板产生的电涡流阻尼起绝对作用；直线轴承引起的摩擦阻尼作用下TMD的自由振动衰减曲线呈直线型，前50个周期对应的TMD等效粘滞阻尼比仅有0．45%，达到了国际同类产品的先进水平。此外，试验识别的TMD固有频率为1．92Hz，也在设计值的目标范围内。
图4 竖向电涡流TMD样机Fig．4 Vertical eddy－current damping TMD
图5 TMD自由振动加速度衰减时程曲线Fig．5 Free vibration time histories of the TMD′s acceleration
表2对比总结了不同磁场间隙下TMD的电涡流阻尼比试验值与理论预测值，且电涡流阻尼比试验结果已经扣除了结构固有阻尼的贡献，而比例因子为试验值与计算值的比值。考虑到不可避免的磁场泄漏，偏于保守估计，阻尼理论预测值计算时各工况Bz均取P（a／2，b／2，h＋d＋δ），P（0，b／2，h＋d＋δ）与P（a，b／2，h＋d＋δ）三点处Bz的平均值。电涡流阻尼比理论预测值ζv计算式为
式中mv与ωv分别表示TMD的质量与圆频率。
表2 电涡流阻尼比的试验值与预测值对比Tab．2 Comparisons of experimental and predicted eddy－current damping ratios
从表2中可以看出：（1）通过调整导体板与永磁体之间的间隙，很容易实现TMD阻尼比在较大范围内的调节；（2）与电涡流阻尼比的理论预测值相比，试验值均偏小，且从整体上看，磁场间隙越大，误差越大。估算公式的误差主要来源是忽略了以下因素：电涡流的零边界条件、导体板表面电荷的运动、永磁体之间的相互作用及固定磁体的钢板对磁场的影响。此外，从比例因子随磁场间隙的变化趋势来看，磁场间隙越大，磁泄漏也越严重。
3 电涡流TMD的优点与潜在应用范围
3．1 电涡流TMD与传统TMD的区别
电涡流TMD与传统TMD的主要区别在于阻尼形式的不同，因此电涡流TMD的优越性也主要来自于电涡流阻尼。综合前文分析可以看出永磁式电涡流TMD具有以下突出优点：阻尼器不需要与结构直接接触，无任何摩擦阻尼；阻尼器基本不需任何后期维护；阻尼器内无流体，无需密封件，不会出现任何漏液；阻尼力与速度具有较好的线性关系；阻尼参数不受温度等环境因素影响；阻尼器无附加刚度，从而不会影响TMD的频率参数，实现了TMD刚度与阻尼的完全分离。此外，TMD所有构件均由金属材料构成，耐久性好，可满足与土木工程结构同寿命的要求；通过设计可控的磁场，还可以实现TMD的变阻尼半主动控制。
3．2 潜在应用范围
本文研发的新型电涡流TMD主要争取应用于以下两类工程：
1）大跨度人行桥在行人激励下的水平或竖向振动控制。该类结构尤其适于采用TMD减振，目前的理论研究已较为成熟。
2）超高压高耸输电塔的风振控制。输电塔属于格构式结构，塔身上小下大，接近等强度设计，主要荷载集中在塔的上部。服役期内塔体的振动特点是：以一阶弯曲振动为主，且塔顶振幅最大。尽管1 000kV输电线路普遍采用的输电塔在100m以上，对应的总质量超过100t，但以塔顶位移为基准的一阶弯曲模态的等效质量并不大，不会超过结构总质量的20%。假设一阶弯曲模态等效质量为20 t，TMD质量比取3%，TMD的质量也仅有600kg。因此，结构与振动的这些特点很适于采用TMD这类吸能减振措施，目前面临的主要困难就是缺乏高耐久性的TMD实用减振装置。
4 结束语
本文基于电涡流阻尼研制了一种面向实际工程应用的竖向TMD装置，并进行了TMD阻尼参数的简化理论分析与性能测试。研究结果表明竖向电涡流TMD的阻尼有两部分组成：一部分是导向装置－直线轴承的摩擦阻尼，其值很小，等效阻尼比只有0．45%；另外一部分就是起绝对作用的电涡流阻尼，且其大小可随永磁体与导体板间的距离变化。电涡流TMD较好地实现了刚度与阻尼参数的完全分离，且解决了普通TMD后期阻尼参数难以调整的问题。此外，文中电涡流阻尼的理论预测值与试验结果也较为吻合，虽然整体偏小，但仍不失一定的精度（尤其是磁场间隙较小时精度较高），对电涡流TMD的阻尼初步设计有重要参考价值。
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电涡流传感器 第4篇
电涡流传感器作为一种无损检测设备,可以测量以位移为基础的各种参数,具有非接触式测量、精度高等优点,同时还具有设备体积小、接收信号频率响应带宽的特点,被广泛用于工业生产和控制中。冶金工业从高炉炼铁到连铸浇注,每一个环节都与炉渣密切相关,且炉渣厚度的测量及控制对钢的质量至关重要[1],本文对测量渣层厚度和液位的电涡流传感器线圈阵列的阻抗进行分析。由于单线圈涡流检测是基于对检测线圈所在体积内的扰动磁场的积分效应,所以无法揭示扰动磁场的分布情况。而阵列式传感器不用机械探头扫描即可在大范围内进行高速测量,且能够达到与单个传感器相同的测量精度和分辨率,可有效提高系统的测试速度、精度及可靠性,因此,阵列式传感器的研究已成为目前电涡流传感器技术中的重要内容和发展方向。平面线圈阵列即所有线圈底部端面同在一个平面内,利用EMT(Electromagnetic Tomography 电磁层析成像)系统不仅可以测量多层物理介质在空间的分布,而且测量的实时性也能够得到满足。这里以冶金工业中结晶器钢液容器为研究对象,采用平面型线圈阵列EMT系统测量结晶器钢液的液位和渣层厚度的分布。
平面型线圈阵列是整个EMT系统信息采集的核心部件。平面型线圈阵列的测量原理是当平面型线圈阵列传感器下方物场中导电物体分布发生变化时,电磁场在空间的分布产生相应变化,进而影响系统的欧姆损耗分布和能量分布情况,最终线圈的视在阻抗[2]发生相应的变化,这属于EMT的正问题,也就是已知物场分布求电磁场在空间的分布。文献[3,4,5,6,7]通过分析线圈阻抗得到了阻抗与被测量间的关系,但推导转移阻抗时忽略了线圈自身阻抗的存在;文献[8,9]分别讨论了传感器的正反问题(平面型线圈阵列EMT系统的反问题是根据各个感应线圈的视在阻抗变化得到物场在空间的分布)以及成像系统的数据采集与处理技术。本文主要通过数值模拟方法对平面型线圈阵列EMT系统正问题进行研究,即在已知物场变化情况下对线圈阵列阻抗进行分析,计算出激励频率变化对EMT系统测量渣液面和渣层厚度的影响,对正问题的了解有利于对反问题的求解,有关反问题的求解这里暂不做讨论。
1 电涡流传感器检测模型的建立
1.1 物理模型的建立
考虑平面型线圈阵列有6个线圈的较简单情形,物理模型见图1。6个线圈的圆心均匀分布在半径为Rm的圆上,内外半径为Ri和Ro,线圈厚度为c。取Rm=100 mm,Ri=30 mm,Ro=40 mm,c=20 mm;线圈材料为铜,钢液电导率为7.14×105 S/m,液态渣层电导率为540 S/m,所有材料磁导率都设为真空磁导率。这样,两个线圈的相对位置共3种(如图1(b)所示):相邻、相间和相对。由于模型的对称性,这里仅计算线圈阵列中1号线圈的视在阻抗以及相邻线圈(1号线圈和2号线圈)、相间线圈(1号线圈和3号线圈)、相对线圈(1号线圈和4号线圈)的互阻抗。其他任意两个线圈的互阻抗由于其对称性都可等效为上述3类情形。通过改变一定条件下的渣层厚度和线圈与渣液面的垂直距离模拟空间物场分布变化,建立数学模型,通过数值计算得到空间电磁场分布,进而得到线圈阵列阻抗随物场分布变化关系。
线圈阵列工作模式为首先将1个线圈作为激励线圈通以交变的激励电流,而其他5个线圈作为检测线圈检测感应电压信号,再由后续电路实时采集信号,采集完成后,控制电路切换多路开关对下一个线圈通以激励电流,其他线圈作为检测线圈,当6个线圈逐个用做激励线圈一次后,信号检测和采集完成一个周期。
1.2 数学模型的建立
EMT正问题数学模型的求解即对Maxwell方程组[10,11]的求解。利用时谐电磁场的Maxwell方程组(式(1)和式(2))和欧姆定律的微分方程(式(3)),可以导出磁场强度矢量H满足控制微分方程(式(4)):
ᐁ×E=-jωμH (1)
ᐁ×H=J+jωεE (2)
J=σE (3)
undefined
式中,ω,μ,ε和σ分别为钢液或渣层的角频率、磁导率、介电常数和电导率;E,J分别为物场中的电场强度和传导电流密度矢量。
本文采用数值计算的方法求解模型,得到时谐电磁场在空间的分布,根据电磁场分布求出空间欧姆损耗和电磁场的能量分布[12],进而得到线圈自阻抗及线圈间互阻抗[11],这里不再赘述。 求解时假设物场中同种物质的物性参数各向同性且恒定,线圈阻抗与电流无关,线圈模型中的激励电流均为余弦信号,大小为1 A。
2 提离对线圈阵列阻抗矩阵的影响
保持渣层厚度30 mm不变,钢液和渣层整体移动,使线圈底部端面与渣液面距离由10 mm逐渐增加至40 mm,观察平面型线圈阵列的阻抗矩阵在不同激励频率下随提离的变化,即1号线圈的自阻抗以及分别与1号线圈相邻、相间、相对线圈间的互阻抗,计算结果如图2和图3所示 。
图2第1部分为线圈1的自感随提离的变化,与单线圈时情形类似,低频时线圈自感对提离变化不敏感,频率越高线圈自感对提离变化越敏感,但线性范围越小。第2部分说明相邻线圈互感较自感小很多,比自感约小2个数量级,但频率较高时相邻线圈互感对提离变化的敏感范围也较大,线性度也较好,低频时线圈互感在提离较大时对提离的变化仍然不敏感。第3部分和第4部分分别为相间线圈和相对线圈的互感随提离的变化,由于线圈间距大,线圈间的互感较小,相间线圈互感小于相邻线圈互感,相对线圈互感小于相间线圈互感。相间线圈和相对线圈的互感随提离变化线性度都较好,对提离变化的敏感范围在512 kHz以下的激励频率波段内相对互感和相邻互感有很大提高,这个特性有利于对提离的分析测量。各种情形下线圈的自感或线圈间互感都在低频下较大,也不易随提离或渣层厚度变化而改变。
由图3第1部分和第2部分得到:线圈1的电阻随提离的变化趋势与相邻线圈互阻抗实部(这里称作互阻)随提离的变化趋势大体相同,激励频率较高时,线圈电阻在提离较小时随提离变化很大,在提离较大时线圈电阻基本保持不变,趋于其在自由空间中的电阻,这点和单线圈模型类似;相邻线圈互阻随提离变化与线圈电阻变化基本相同,只是互阻随提离变化线性度较好。由图3的第3部分和第4部分得到:相间线圈和相对线圈的互阻随提离变化趋势类似,互阻随提离变化仅在较高频率(约大于2 MHz的频段)下呈较好的线性关系,低频下,互阻随提离变化很小。
3 渣层厚度对线圈阵列阻抗矩阵的影响
保持线圈下端面距渣液界面50 mm不变,当渣层厚度逐渐由1 mm增加至49 mm时,观察平面型线圈阵列的阻抗矩阵在不同激励频率下随渣层厚度增加的变化,即1号线圈的自阻抗以及分别与1号线圈相邻、相间、相对线圈间的互阻抗,计算结果如图4和图5所示 。
由于渣层电导率小,因此即使频率为8.192 MHz时,电磁波在渣层中仍有8.3 mm的穿透深度,较低频率下电磁波在渣层中的衰减较小,线圈电感或线圈间互感对渣层的变化不敏感,太低的频率似乎对渣层厚度测量效果不佳。由图4计算结果也表明较低频率下线圈电感或线圈间的互感随渣层厚度变化不敏感,始终保持在一个较稳定的值。由图4的第1和第2部分可得:较高频率下(大于512 kHz),线圈电感和相邻线圈互感随渣层厚度变化仅在渣层较厚(大于15 mm)时敏感,在渣层很薄时电感或相邻线圈互感随渣层厚度变化不明显,互感随渣层的变化幅度要小于线圈自感随渣层变化的幅度,这两种情形类似单线圈模型的情况。由图4的第3和第4部分可得:较高频率下,相间线圈和相对线圈的互感变化在渣层较薄时敏感,且渣层越薄互感对其变化越敏感,但其线性范围要小。
由图5第1部分和第2部分可得:线圈自阻和线圈间的互阻在低频下随渣层厚度变化较小,因而不宜采用低频激励测量渣层厚度;而线圈电阻和相邻线圈互阻随渣厚度变化在渣层较厚时敏感,线圈电阻随渣层厚度变化较相邻线圈互阻随渣层厚度变化的幅度更敏感,但相邻线圈互阻随渣层的变化敏感范围更大,且渣层越厚越敏感。由图5的第3和第4部分可知:相间线圈和相对线圈的互阻随渣层厚度变化趋势类似,都是先增大后减小,呈抛物线状,互阻随渣厚度变化过程中存在一个最大值,频率高的激励信号其互阻最大值对应的渣层厚度往往较小,这也从另一个方面验证了电磁波在渣层中的穿透深度效应,相对线圈间互阻对渣层厚度的变化更为敏感,但范围有所收缩。
4 结论
在不同的激励频率下,平面型线圈阵列阻抗矩阵受渣层厚度和提离的影响是:线圈阻抗和相邻线圈阻抗随渣层厚度的变化或随提离的变化与单线圈模型较接近,渣层越厚灵敏度越高,提离越小灵敏度越高;相间线圈和相对的线圈间互感却在渣层较小或提离大时才对提离变化或渣层厚度的变化敏感;相间线圈和相对线圈间互阻在较高频率下对渣层薄时或提离较小时的变化敏感。由上述分析可知,不同的激励频率对线圈阵列的阻抗矩阵影响都很大;频率选择对提高平面型线圈阵列对空间物场某个区域的敏感性非常重要,为了采集更多包含空间分布的信息,需要采用多频率激励。
摘要：炼钢生产过程中,结晶器钢水液位和炉渣厚度的动态测量对生产高质量钢至关重要,采用电涡流传感器测量钢水液位和渣层厚度具有很多优点。对电涡流传感器的阻抗分析是设计电涡流测量系统的基石。本文以炼钢过程中结晶器钢水液面和渣层厚度分布测量为研究对象,采用平面型线圈阵列传感器,通过建立三维电磁场物理模型并用数值计算的方法求解电磁场,从而分析线圈阵列的阻抗特性,并给出相应的结论。
关键词：数值计算,阻抗分析,平面型线圈阵列
参考文献
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调频式电涡流传感器振荡器的设计 第5篇
任何一个简谐波 (正弦波) 振荡器的正常工作, 必须具有放大元件和选频反馈网络, 并在振荡频率上满足起振条件和平衡条件。
1振荡器的起振条件为:
式 (1-1) 中, 为F无反1馈放大器的开环放大倍数, 为反馈网络的反馈系数。
满足起振条件是为了保证在振荡器接入电源后, 较小的振荡幅度能够得到逐步放大, 使振荡信号有一定的强度输出, 不至于淹没在同样电平的噪声之中。
图1中的R1、R2就是为了在起振时将反向器74LS00在输入小信号的情况下偏置在线性放大区工作, 以保证一定强度的振幅输出, 满足起振条件。另外, R1、R2同时兼有隔离谐振回路以提高频率稳定性的作用。但R1、R2不可选的过大, 以保证G1有很强的直流负反馈。
2振荡器的平衡条件
振荡刚建立时, 振荡信号十分微弱, 由于不断地进行放大、选频、反馈、再放大的多次循环, 在一定振荡频率上, 信号由小到大地增长起来。为了不使之无限制地的增长下去, 任何一个振荡器还必须具有自动限幅功能, 即随着振幅的不断增长, 振荡器的放大倍数也要不断地减小, 即A0要向A趋近, 直到振幅增加到某一程度使AF=1, 振荡达到平衡状态。
因此, 振荡器的平衡条件为:
式 (1-2) 中, A为平均电压放大倍数, 即负载谐振阻抗上基波输出电压Uc1与基极输入电压Ub之比。式 (1-3) 中, 为平均电压放大倍数的相位移, 为为反馈系数的相位移。式 (1-2) 的振幅平衡条件说明振幅在平衡状态时, 其环路增益必定等于1, 也就是说反馈信号的振幅必须与原输入信号的振幅相等, 才能始终维持着频率为f、振幅U0不变的正弦振荡。nFA2AFFA1nFA2 n3210
在图1所示的振荡器中, 放大倍数由A0向A的转换是由TTL反相器随着振幅的不断增大由放大状态进入开关状态来实现的, 其中LX、C1、C2组成LC选频网络, C2决定反馈电平的大小。
式 (1-3) 为振荡器的相位平衡条件, 它说明振荡器在平衡状态时, 其环路总移相为0或2π的整倍数, 即反馈信号的相位与输入信号的相位相同, 满足这个条件的信号频率即为振荡频率。TTL反相器可实现180度的移相, 反馈网络在特定频率上又可移相180度, 从而满足了相位平衡条件, 构成正反馈。
由此可见, 由TTL反相器和LC反馈网络构成的振荡器在理论上是可行的。经过实验调整, 该振荡器可达到较高的频率稳定度, 极易起振, 输出波形近似正弦波, G2为整形电路, 用以得到较好的方波输出。
在屏蔽盒内安装振荡器既可以消除外部电磁波对振荡器的干扰, 也可以防止振荡器的振荡信号对系统其它部分的影响。在屏蔽盒里, 给传感和参考振荡器都加了隔离措施, 其目的就是为了防止二者之间的彼此干扰。
通过这样的设计, 可以有效的改进调频式电涡流传感器存在的非线性误差大、精度低、振荡器稳定性差等缺点, 从而开拓了调频式电涡流传感器的发展和应用。
参考文献
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电涡流传感器 第6篇
昆钢14000M3/h空分空压机原来采用液压式轴位移装置, 经过十几年的运行, 检测精度下降, 不利于空压机的安全稳定运行。现采用BENTLY3300电涡流传感器系统在空压机风机机轴端以及增速机端新增四点轴振动监测点, 实现了机组位移、振动参数在机旁柜和主控室D C S同时监测, 该系统可连续显示和记录空压机轴振动、轴位移及轴温参数, 该系统可为如下各种机械故障的早期判别提供重要信息, 并在超出预置的运行值时发出报警或停机信号。
2、传感器选型
由于昆钢14000M3/h空分空压机是引进原俄罗斯设备, 其技术要求轴振动超过80μm报警, 超过90μm, 空压机立即联锁停机。因此, 笔者选用BENTLY 3300电涡流传感器, 用来测量空压机的振动和轴位移。电涡流传感器能测量被测体 (必须是金属导体) 与探头端面的相对位置。由于其长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受水油等介质的影响, 常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测, 可以分析出设备的工作状况和故障原因, 有效地对设备进行保护及进行预测性维修。
3、传感器的安装、布线与调试
昆钢14000M3/h空分空压机轴振动、轴位移改造测量点分布图
3.1轴振动探头的安装
轴振动:主要监视空压机在高速转动过程中主轴相对于轴瓦 (轴承) 座的相对振动。其工作原理传感器探头的线圈和被测金属体之间的距离变化, 可以变化为线圈的等效电感、等效阻抗和品质因素三个电参数的变化, 再配以前置放大器, 可以进一步把这三个电参数变换为电压信号, 即可实现对振动的测量。
当需要测量轴的径向振动时, 要求轴的直径大于探头直径3倍以上。每个测点应安装两个传感器探头, 两个探头分别安装在轴瓦两边的同一水平面上相隔90° (±5°) 。由于轴瓦盖一般是是水平剖分的, 因此通常两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45°, 定义为X探头 (水平方向) 和Y探头 (垂直方向) 。通常情况下, X探头应该在垂直中心线的右侧, Y探头应该在垂直中心线的左侧。理论上, 只要安装位置可行, 两个探头可安装在轴圆周的任何位置, 保证其90° (±5°) 的间隔, 都能够准确测量轴的径向振动。
探头的安装位置应尽量靠近轴瓦, 如下图所示, 否则由于轴的挠度, 得到的测量值将包含附加误差。
对安装位置和探头支架的要求:探头通过支架固定在轴承座上, 支架应有足够的刚度以提高其自振频率, 避免或减小被测体振动时支架的受激自振。根据实际工况设计安装位置和支架。
3.2轴位移探头的安装
轴位移即轴向位移:轴向位移是指机组内部转子沿轴心方向, 相对于相对于推力瓦 (推力轴承) 二者之间的间隙而言。通过对轴位移的测量, 可以指示空压机旋转部件与固定部件之间的轴向间隙或相对瞬时的轴向变化。它的工作原理与振动测量原理相同, 但需说明一点, 轴向位移的测量经常与轴振动的车辆搞混。轴向振动是指传感器探头表面与被测体沿轴向之间距离的快速变动, 用峰值表示, 它与平均间隙无关。
测量轴的轴向位移时, 测量面应该与轴是一个整体, 这个测量面是以探头中心线为中心宽度为1.5倍探头头部直径圆环 (在停机时, 探头只对正了这个圆环的一部分, 及其启动后整个圆环都会变成被测面) , 整个被测面应该平整、光滑。
探头的安装位置距离止推法兰盘不应超过305mm, 如下图所示, 否则测量的结果不仅包括轴向位置的变化, 而且还包括涨差的变化, 不能真实反应轴的位移量。
在停机时安装传感器探头, 由于周通常都会移向工作的反方向, 因而探头安装间隙应该偏大, 原则是保证:当机器启动会, 轴处于轴向窜动量的中心位置, 传感器应该在其线性工作范围的中心。
3.3前置器的安装
前置器是整个传感器系统的信号处理部分, 要求将其安装在远离高温环境的地方, 安装时壳体不得接触机壳或大地, 同时必须避免有其他信号干扰。
由于昆钢14000M3/h空分空压机实际情况在安装前置放大器时, 由于现场需要防爆, 利用现有防爆接线盒, 制作合适的防爆接线盒, 防爆盒进出线口均采用绝缘胶泥密封。
4、结语
本次14000M3/h空分空压机改造进程同预想基本一致, 实践证明, BENTLY 3300电涡流传感器系统测量精度较高, 且性能稳定, 参数设置简便, 在昆钢14000M3/h空分空压机改造过程中取得良好的效果。因此在各类非接触新的轴振动、轴位移检测中, 可以进行推广应用。
参考文献
[1]祝亮等.电涡流传感器系统在旋转机械状态监测中的应用.林业机械与木工设备, 2001.
电涡流传感器 第7篇
电涡流传感器体积小、灵敏度高、响应速度快、频率响应范围广,能对位移、厚度、表面温度、速度、应力等物理参量进行非接触测量,广泛应用于无损探伤、旋转机械状态的在线监测等[1]。电涡流传感器把被测物理量的变化近似用一个线性函数表示,其线性范围不仅与激磁频率被测导体的电导率、磁导率有关,还与线圈的匝数、截面形状及几何参数有关。此外,电涡流传感器还受到温度、湿度、电磁干扰等外界因素的影响,比如,电涡流传感器线圈等效阻抗Z是温度的函数,随着温度的升高而漂移增加。因此,电涡流传感器的输出与被测目标参量之间的关系是非线性的,不能精确地反映被测物理量[2]。要减小非线性误差的影响,要求被测导体在轴向移动时,线圈轴向磁场强度变化速率的变化要小,但更有效的方法是对电涡流传感器的输出特性曲线进行拟合,进行非线性补偿或非线性校正。
如果不考虑传感器的迟滞和蠕变效应,传感器的输出输入特性一般可用n阶拟合多项式描述:
式中:x为传感器输出特性参数;k0,k1,k2,…,kn为系数。
从式(1)可看出,拟合的阶数越高, 误差越小, 拟合函数与实测数据越接近。传感器输出特性参数的拟合就是寻求式(1)中的系数k0,k1,k2,…,kn,使拟合函数误差的平方和最小。常采用三次样条函数算法、直线拟合法、最小二乘法、分段线性化法等拟合方法求得系数k。然而这些拟合方法都有一定的局限性,本质上是一种局部搜索技术,易陷入局部最小点。三次样条函数算法拟合精度不够高;直线拟合法误差大;最小二乘法具有较高的补偿精度,但当数据点较多时,容易出现振荡现象;分段线性化法分段越多计算越繁琐,并且精确度不高[3,4]。鉴此,本文提出用径向基(Radial-Basis Function,RBF)神经网络对电涡流传感器输出特性参数进行拟合。实验结果表明,径向基神经网络逼近能力强,收敛速度快,通过训练可以很好地拟合电涡流传感器的输出特性曲线。
1 基于径向基神经网络的电涡流传感器输出特性拟合
1.1 电涡流传感器原理
当电涡流传感器线圈通入正弦电流I1时,会在金属导体中感应出电涡流I2,I2产生的交变磁场会影响线圈的原磁场,导致线圈的等效阻抗发生变化。为了分析方便,把I2等效为短路环中的电流,电涡流传感器与被测导体等效为2个相互耦合的线圈,相关的关系式如下:
式中:Z、L、M分别为电涡流传感器的等效阻抗、等效电感和互感系数;R1、L1、R2、L2分别为初级线圈及次级线圈的电阻和电感。
从式(2)、式(3)可看出,Z、L都是M2的函数,而M又是传感器输出特性参数x的非线性函数,因此,Z、L都是x的非线性函数。应用径向基神经网络逼近电涡流传感器的输入输出特性函数,进行传感器特性曲线拟合,就可以得到精确的传感器输入输出关系,从而实现传感器的精确测量与智能控制功能[5]。
均方根误差σ和灵敏度K是电涡流传感器的2个重要参数。σ用于评定测量精密度及系统的非线性误差,由于在实际测量中被测量的真值一般是不知道的,一般只能用残差代替随机误差来计算σ的近似值。K是指传感器在稳态下输出量与输入量的比值,非线性系统的灵敏度是一个变量,通常用拟合直线的平均灵敏度表示,计算公式如式(4)所示。系统的灵敏度越高,稳定性就越差。
式中:i=1,2,…,n;n为拟合直线的分段数。
1.2 径向基神经网络
径向基神经网络是基于多变量插值径向基函数的神经网络,能够以任意精度逼近连续函数。径向基神经网络分为3层:第1层是输入层,由信号源节点组成;第2层是隐含层,隐含层单元的变换函数是中心点径向对称且衰减的非线性函数;第3层是输出层。径向基神经网络将输入向量直接映射到隐空间,网络的输出是隐单元输出的线性加权和,总体上看,网络由输入到输出的映射是非线性的,但网络输出对可调参数是线性的,这样每个训练样本只需要修正少量的权值和阈值,就可避免陷入局部极小点。
径向基神经元的输出表达式为
式中:‖W-P‖为欧几里德距离;b为阈值,用于调整神经元的灵敏度;radbas 为径向基神经元的传递函数,一般使用高斯函数,其径向对称且光滑。
高斯函数和欧几里德距离的表达式分别为[6]
a(n)=radbas(n)=e-n2 (6)
式中:n为高斯函数的自变量;R为输入向量元素的个数;w1,i为权值向量;pi为网络输入向量。
1.3 特性参数的拟合
建立径向基神经网络的训练集,以被测物理量作为输入矩阵P,电涡流传感器输出电压作为输出矩阵T,设计及训练径向基神经网络,以得到均方根误差小且光滑的电涡流传感器输出特性拟合曲线。
训练一个径向基神经网络首先需要提供P、T以及径向基函数的扩展系数Kspread,然后调整输入层到隐含层的权值w1以及隐含层到输出层的权值w2,具体而言,需要求解径向基函数的宽度δi 、中心ci、隐含层到输出层的权值wi三个参数(i=1,2,…,h,h为随机选取的训练样本数量)。
ci可以用随机选取中心算法或自组织选取中心算法求得。当网络的传递函数为高斯函数时,其宽度δi为[4]
式中:cmax为选取中心之间的最大距离。
wi一般使用伪逆法求出:
式中: W为径向基神经网络当前的权值矩阵;ϕ为隐含层的输出矩阵,ϕ+为ϕ的伪逆;D为教师信号。
2 仿真结果与分析
利用一个电涡流传感器进行测距实验,每隔0.5 mm 通过涡流变换器及放大器采集传感器的输出电压。传感器线圈的阻抗Z取决于被测导体的电涡流效应,而电涡流效应与导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈与导体的距离x、尺寸因子r、激励源频率f有关,即Z=F(ρ,μ,x,r,f)。由此可见,只要保持其他参数不变,Z就是x的单值函数,通过检测Z就可实现x的测量。电涡流传感器测距实验电路原理如图1所示,实验数据如表1所示。
根据表1,利用式(4)计算得出灵敏度K=5.776 5,均方根误差σ用贝赛尔公式来计算:
从以上数据可看出,K和σ都比较大,电涡流传感器的输出非线性比较严重。
Matlab仿真工具中一般采用newrb、newrbe、newpnn、newgrnn函数创建径向基神经网络,采用radbas为传递函数,将数据索引转换成向量变组。本文采用newrb函数创建一个径向基神经网络,对电涡流传感器的实验数据进行拟合。网络设为2层,隐含层为径向基神经元,输出层为线性神经元,隐含层的传递函数采用高斯函数。径向基神经网络没有专用的训练函数,网络的训练就是网络层权值和阈值的修正过程。隐含层神经元的权值和阈值与传递函数的位置、宽度有关,如果神经元的数目足够,通过调整权值和阈值,径向基神经网络就能精确地逼近测试数据。
创建径向基神经网络时,newrb函数是从0开始逐渐增加径向基神经元数目的,首先输入测试点数据对网络进行训练,找出误差最大的一个输入数据,然后增加一个径向基神经元,其权值等于测试点输入向量的转置,阈值b=(-ln 0.5)1/2/Kspread。Kspread的值要使径向基神经元能够对输入向量所覆盖的区间都产生响应,太小会使网络输出结果不够光滑,太大会引起过度拟合。接着newrb函数会以神经元输出的点积作为网络层神经元的输入,重新调整线性网络层,使其均方根误差最小,然后再重复以上的过程,使网络的均方根误差或神经元数目达到规定的指标[7]。
在径向基神经网络训练中,首先确定网络的均方根误差σ为0.02,Kspread取1,经过10次左右的循环,网络即可达到要求的精度,训练时间及步长都不大。电涡流传感器输出特性拟合结果如图2所示。从图2可看出,拟合曲线光滑,表明应用径向基神经网络对电涡流传感器输出特性进行拟合非常成功。
newrbe和newrb函数在创建径向基神经网络时是以不同的方式修正权值和阈值的。newrbe函数首先确定权值、阈值以及神经元数目,然后以径向基神经元的输出作为线性网络层神经元的输入,修正权值和阈值使之满足规定的指标,只需一个循环就得到符合要求的径向基神经网络,创建网络速度快。但是,当传感器特征向量数目很大时,newrbe函数创建的网络规模会很大,这时使用newrb函数创建径向基神经网络会比较合适,能获得比newrbe函数更小规模的网络。此外,使用newgrn函数逼近电涡流传感器的特征参数也能得到比较好的拟合效果。
3 结语
电涡流传感器的输出特性非线性比较大,采用径向基神经网络对其输出特性参数进行了拟合。实验结果表明,只要选择合适的创建函数和参数,径向基神经网络就能有效地实现电涡流传感器输出特性的拟合,拟合曲线光滑,能方便地与智能测控系统相融合。径向基神经网络也能方便地拟合其他类型传感器的特征数据,特别是处理离散性、高度非线性以及难以函数化的传感器特征数据更能显示出其优越性。
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电涡流传感器 第8篇
1 非线性特性及其补偿
电涡流传感利用被测量体和探头之间的磁场能量耦合(电磁感应)实现对被测体的检测。随着检测距离的增大,被测体与探头间的互感减小,这种互感的变化是非线性的。他会引起探头线圈电阻和感抗值随检测距离的非线性变化;同时,环境参数会使电子器件产生漂移,也会引起测量值与真实值之间的非线性。
改进后传感器的补偿原理如图1所示。
设传感器输入为x,t,输出为u,u=f(x,t)为非线性关系。若在传感器后串联一补偿环节,使y=g(u)=Kx,就实现了传感器的非线性补偿。
从上述的补偿原理可看出,函数g为函数f的反函数的1/K,所以f决定着g。经前面分析可知,改进后传感器的非线性因素有很多,程度也较复杂,不宜采用硬件补偿法。
拟合函数补偿法是对实际测量值采用函数拟合法(通常为最小二乘法)推算出传感器输入/输出关系。然后,再对真实值进行选定函数的数值计算获得测量结果。
但是利用最小二乘法需要以下2个假定:
(1) 所有输入量的各个给定值均无误差;
(2) 最好的拟合直线为能使各点同特性曲线偏差的平方和为最小。实际上在对传感器进行标定时各输入量是不可能没有误差的;另外,当传感器的输出特性曲线接近于直线时或能通过适当的变量代换,把变量之间的非线性关系化为线性关系时,通常总是利用直线拟合的办法实现输出输入关系的线性化。这样,同时也造成了计算结果的不准确。
神经网络是一个具有高度非线性的超大规模连续时间动力系统,其特征为连续时间非线性动力、网络的全局作用、大规模并行分布处理及高度的鲁棒性和学习联想能力。实际上是一个超大规模非线性连续时间自适应信息处理系统。
用神经网络进行非线性补偿原理如下:上述假定传感器模型为u=f(x,t),其中x为被测物理量,t=(t1,t2,…,tk)为k个环境参数,若对不同的t,u均为x的单值函数,则有x=f-1(u,t)。补偿环节的输出为y=g(u,t),令g(u,t)=f-1(u,t),可得y=g(u,t)=f-1(u,t)=x,则补偿环节的输出y与被测物理量x成线性关系,且与各环境因素参数t无关。因此只要使补偿环节g(u,t)=f-1(u,t),即可实现传感器的非线性补偿。通常传感器模型的反函数f-1(u,t)比较复杂,难以用数学公式来描述,但可通过实验测得传感器数据集{xi;ti;ui∈Rk+2;i=0,1,…,n},ti=(t1i,t2i,…,tki)T。以实验数据集的ui和ti作为输入样本,对应的xi作为输入样本,对神经网络进行训练,使神经网络调节各个权值以自动实现f-1(u,t)。已经证明,前向神经网络可以处理系统内在的难以解析的规律性,能够逼近任意的非线性函数。
最小二乘法和神经网络补偿法均可用于传感器的非线性补偿,本文着重讨论基于RBF(径向基网络)的非线性补偿方法,并将补偿结果与最小二乘法补偿法得到的结果加以对比,以说明神经网络补偿法的优越性。
2 BRF网络非线性补偿及其结果分析
采用RBF网络的网络结构(即图1中的补偿环节)如图2所示,网络结构为1-14-1。根据上述的非线性补偿原理,采用改进后电涡流传感器等效感抗作为RBF网络的输入,传感器测量的真实值作为网络的输出。
利用输入/输出数据对BRF网络进行训练,设置训练次数为3 000次,训练误差为0.000 1。在训练结束后,利用训练后的BRF网络对传感器进行非线索性补偿。将训练样本作为测试样本带入网络和拟合的函数,得出的结果如表1所示。
由表1可以看出,采用RBF网络得到的测试值与真实值间的非线性均误差远小于采用最小二乘法进行补偿得到的非线性误差,即RBF网络的补偿精度要远远高于最小二乘法的补偿精度。另外,将此方法用于另外几种型号的电涡流传感器的非线性补偿上得出的结果也证明神经网络的补偿精度远远高于最小二乘法,说明神经网络补偿法具有很强的泛化能力。
3 结 语
由于电涡流传感器输入/输出特性具有非线性,为了保证测量仪表的输入与输出之间具有线性关系,就必须对电涡流传感器进行非线性补偿。本文主要采用BRF神经网络对电涡流传感器进行非线性补偿,并与最小二乘法补偿法进行了比较。对比结果说明,RBF网络在很大程度上提高了电涡流传感器的线性度,并且补偿曲线更顺滑,预测性更强,补偿后的传感器线性度更好。实例分析表明,神经网络在非线性补偿和提高准确度方面的优点,是最小二乘法所无法比拟的。
摘要：电涡流传感器输入/输出特性曲线具有很强的非线性,为保证仪表输入/输出的线性化关系,必须对电涡流传感进行非线性补偿。采用RBF网络对电涡流传感器进行非线性补偿,并将补偿结果与拟合函数法(最小二乘法)进行比较。结果表明:神经网络产生的补偿曲线更顺滑,预测性更强,补偿后的传感器线性度更好。
关键词：RBF神经网络,电涡流传感器,非线性补偿,拟合函数
参考文献
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[4]飞思科技.神经网络理论与Matlab 7实现[M].北京:电子工业出版社,2005.
电涡流传感器 第9篇
公共汽车由于行车密度很高, 在交通情况复杂的城市道路上行驶, 为避免交通事故, 需要进行频繁的不同程度的制动。在这些情况下, 单靠行车制动系统难以完成这样的制动任务。因为长时间频繁工作不仅会使制动系统工作温度大大提高, 还会使制动器发生热衰退, 以致制动效能大大降低, 甚至制动力完全失效, 这是汽车的安全要求所不允许的。目前的制动器普遍采用接触式制动原理, 不可避免地存在制动器寿命短或制动失效率高的缺点, 因此无接触式辅助制动系统应运而生, 俗称缓速器。它的采用提高了刹车片的寿命, 从根本上克服了上述缺点。
本文重点对电涡流缓速器在客车制动系统上的应用进行分析, 并进行简单的故障诊断探讨, 以期探讨电涡流缓速器在客车制动系统中的具体应用, 并和广大同行分享。
2 电涡流缓速器的工作原理分析
电涡流缓速器利用电磁学原理, 将车辆的动能转化为热能消耗掉, 来实现车辆的减速和制动。电涡流缓速器制动力矩的产生具体过程是这样的:当驾驶员接通缓速器的控制手柄 (或踩下制动踏板) 开关进行减速或制动时, 电涡流缓速器的励磁线圈自动通以直流电流而励磁, 产生的磁场在定子磁极气隙和前后转子盘之间构成回路。磁极磁通量的大小与励磁线圈的匝数以及所通过的电流大小有关, 另外转子盘和铁芯的材料也影响磁场的分布。这时在旋转的转子盘上, 其内部无数个闭合导线所包围的面积内磁通量就发生变化 (或者说其内部无数个闭合导线就切割励磁线圈所产生的磁力线) , 从而在转子盘内部产生无数涡旋的感应电流, 即涡电流 (以下简称涡流) 。在转子盘内会因为磁通量的减少或增加而产生两种方向相反的涡流。一旦涡流产生后, 磁场就会对这些涡流产生力的作用, 即阻止转子盘转动的力 (制动力) , 阻力的方向可由弗莱明 (Flemin) 左手法则来判断。阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反的制动力矩, 同时涡流在具有一定电阻的转子盘内部流动时会产生热效应而导致转子发热。这样, 车辆行驶的动能就通过感应电流转化为热能, 并通过转子盘上的叶片产生的强劲风力将热量迅速散发出去。
电涡流缓速器安装在汽车的传动系统中, 用来提高车辆的安全性能。简单地说, 电涡流缓速器的工作原理是利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发掉, 从而实现汽车的减速。
3 电涡流缓速器在客车制动系统上的应用
3.1 应用分析
为了进一步验证电涡流缓速器在客车制动系统上的应用情况, 笔者特意对高州市在制动系统部件安装有电涡流缓速器的公共汽车进行实际跟车考察, 经过笔者一段时间的观察, 发现电涡流缓速器有以下应用特点:
(1) 制动效能高
电涡流缓速器利用电磁场原理工作, 本身没有机械磨损, 其优越性能比较突出。试验检测其制动功率为励磁功率的50～80倍, 最大制动转矩可达3000N·m。在行车制动过程中, 电涡流缓速器产生的制动转矩占总制动转矩的30%～80%。特别是在常用速度范围, 其制动转矩比例达50%左右。
(2) 故障率低, 可靠性好
电涡流缓速器本身没有机械磨损, 散热良好, 平均无故障工作时间达15800小时。缓速器的标定工作温度为130℃, 实际正常工作温度在70℃左右。
(3) 制动响应快, 操作性能好
相对于机械制动器, 电信号控制和电磁场工作的响应更快。在操作上, 与制动踏板联动, 驾驶员只需踩下制动踏板, 电涡流缓速器即先于机械制动器起作用, 自动发挥其最好的作用。
(4) 用作辅助制动装置
电磁场工作原理决定了其不能使车辆减速到零便立即完全停住车。所以在控制设计上, 当车速小于5km/h时, 系统退出制动待命状态, 由机械制动器单独承担制动负荷。
3.2 故障分析
由于电涡流缓速器在具体应用上, 将车速信号传感器安装在缓速器上, 感应采集车速变化信号, 该信号控制电涡流缓速器系统是否进入制动待命状态。在驱动控制器作用下, 当车速大于5km/h时, 系统进入制动待命状态。车速在0～5km/h时, 系统退出制动待命状态, 对司机的制动操作不响应。因为车辆在这样低速行驶或停住时, 无须辅助制动, 可避免缓速器因司机踩住制动踏板而继续通电, 以保护励磁线圈不被烧损。
因此对于电涡流缓速器而言, 最容易发生的故障现象就是励磁线圈的烧损, 一旦励磁线圈损毁, 将致使整个电涡流缓速器工作的失效, 因此对于电涡流缓速器的常见故障, 应该首先检查励磁线圈是否正常通断电, 并在此基础上检查外围电路, 一般都是由于电子元件的失效而引发故障的。
电涡流缓速器的维护保养主要包括清洗和定期维护两个方面。
(1) 电涡流缓速器的清洗
车辆在粉尘较多的环境里或泥泞道路上行驶, 灰尘、泥土等必定黏附并沉积到电涡流缓速器上, 从而影响到电涡流缓速器的散热性能和使用寿命, 所以必须经常清洗清洗电涡流缓速器维护保养的内容主要包括以下几点:
(1) 检查电涡流缓速器接线端子。打开电涡流缓速器接线盒, 检查各接线端, 如有松动就紧固接线柱螺母。
(2) 检查接地线。注意检查电涡流缓速器和车架上的接地线, 如有松动, 必须将其紧固。
(3) 检查变速器输出端。注意查看电涡流缓速器与变速器的结合部, 如有漏油现象, 则需要更换变速器后油封。
(2) 电涡流缓速器的定期维护
电涡流缓速器定期维护保养的项目分为5000公里、2万公里和6万公里3个不同周期来进行, 每40万公里还要将电涡流缓速器拆下, 目测检查转子是否有变形、刮伤、裂纹等问题, 如发现异常, 应停止使用, 并在最短的时间内修复。
4 结语
电涡流缓速器是一种高效汽车制动辅助装置, 既可以使汽车在坡道行驶时方便地实行缓速和恒速行驶, 也可以在高速公路或者路况较差的情况下及时轻松地进行缓速, 因此可极大提高汽车行驶时的安全性与舒适性。电涡流缓速控制器作为电涡流缓速器总成的电控部分, 其性能直接影响电涡流缓速器的使用效果。本文对电涡流缓速器在客车制动系统上的应用及常见故障进行了简单分析, 对于提高电涡流缓速器的应用水平和维护保养水平具有一定借鉴意义。
摘要：电涡流缓速器在汽车制动系统上的应用逐渐广泛, 本文首先分析了电涡流缓速器的工作原理, 在此基础上重点探讨了电涡流缓速器在城市公共汽车制动系统上的应用优势以及常见的故障分析, 提出了具体的电涡流缓速器维护保养措施与建议, 对于进一步提高电涡流缓速器在汽车制动系统上的应用及维护保养水平具有一定的借鉴意义。
关键词：电涡流缓速器,客车制动系统,故障分析
参考文献
[1]张逸成, 沈玉琢, 庞乾麟.旋转涡流制动器电磁机构的设计研究[J].铁道学报, 1998, 20 (6) :22-27.
[2]刘成哗, 何仁, 衣丰艳.车用电涡流缓速器在重型车辆下的使用效果及发展趋势[J].客车技术, 2004 (3) :15-16.
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