新型流速仪检定系统设计.docx

1、Vol.29No.10184舰船电子工程ShipElectronicEngineering新型流速仪检定系统设计.柳军张文锦（东南大学仪器科学与工程院南京210096）摘要流速仪检定系统是衡量流速仪测址流速精度的检定装置。针对传统流速仪检定系统的缺点，设计了一种新型的流速仪检定系统。该系统采用新的前端信号调理方法，并添加了智能化识别水阻干扰程序,采用了新的数据处理方式对流速仪信号进行采集，经现场实际应用，该检定系统符合检定要求，可靠性高。关键词流速仪；检定系统；信号调理中图分类号TP216DesignofCurrent-meterCalibrationSystemLiuJunZhangWcnj

2、in(InstituteofInstrumentScienceandEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096)AbstractThecalibrationsystemofcurrent-metcrisameasuredprecisioncalibrationdeviceofcurrent-mcter.Accordingtothedefectsofconventioanldevice,thisnewcalibrationtsystemusesanewsigna)disposal.andnewdataprocessingmethodthatadda

3、specialprogramtoaimatwaterresistance.Thepraticalexperimentsprovethatmeetthedemandsofdetectionandhashighrcliablity.Keywordscurrent-meter*calibrationsystem,signalconditionClassNumberTP216收稿日期：2009年6月15日，修回日期：2009年7月4日作者简介:柳军，男.硕士研究生，研究方向:测试技术与仪器。张文锦，男，硕士生导师教授，研究方向：智能检测仪器、机电一体化、电源逆变技术。1引言流速仪信号是周期信号，理论上

4、应该是方波，图形相对简单，但由于流速仪机械结构抖动，水电阻的存在，周边电机运转的电磁干扰，使得流速仪信号存在毛刺和干扰信号。目前国内常采用的是计脉冲量的方法，而这种方法的关键就是准确测量出脉冲个数，一般的解决手段是采用硬件电路来滤除抖动，但是由于水阻不可避免的出现，导致低电压抬高，导致常用硬件电路误认为流速仪信号高导通，从而使得测量结果产生误差,而且当流速仪信号变的不理想时，则调试修正硬件参数变得更为麻烦,国内有些水槽更是通过换水来解决水阻问题，提高了检定成本。本设计试图采用新的数字信号处理方法，从而使得整个检定系统自适应性增强，减少了检测成本。本文所研究的流速仪检定系统应用于中国东部水利水文

5、仪器检测中心的水槽，已处于运行阶段，效果良好。2流速仪信号特征和检定原理2.1流速仪信号特征流速仪信号是由流速仪内部的机械触点相接触而产生的。当流速仪浸泡在水中，水流会推动流速仪转子转动，通过流速仪内部的机械设计，当转子转动固定的圈数的时候，机械触点会闭合一次,从而产生一个流速仪信号。但是在实际应用过程中发现，随着时间的推移，水槽中的水不可避免的含有很多的杂质,产生了很多导电离子，因此流速仪信号反应出来的特点就是当流速触点分开的时候信号并不表现出完全断开的特征，其次流速仪信号是由机械触点产生的.其信号必然会图1流速仪信号受到机械触点抖动影响，特别是使用时间较长的流速仪信号波形的完整性会很差。图

6、1所示的是在现场对一台旧的LS25-1型流速仪进行采集的信号。2.2检定原理本系统属于静水检定槽,采用直线明槽静水检定法：在横断面均匀一致的直线静水槽中，在轨道上行驶的检定车以规定的若干个稳定速度牵引流速仪，使固定安装在测杆上的流速仪在静水中行进,测定在检定车各速度'下一系列流速仪转子每秒转速心，通过对这两组数据进行数据处理，建立流速仪直线运动方程可得到检定/校准结果，即流速仪检定方程.见式(1)V=a+bX”(1)式中,V为水流速度,单位为m/s;为转子转率，单位为r/s；a为仪器常数,单位为m/s；6为仪器水力螺距。水力螺距b是一个倍比常数，表征流速仪转子的旋转速度与水流速度之间的

7、关系，即可表示水流质点在流速仪旋杯(或转子)旋转一周时的行程长度。仪器系数。是一个附加常数，表征仪器内部各运动付之间的摩阻，如球轴承、减速机构、信号接触装置、润滑油等，与转子的有效半径R、旋杯(或转子)的螺距、旋杯的阻力系数有关。的值可以通过相对均方差-最小二乘法来确定O2.3检定系统结构和信号采集方法整个检定装置分成水槽,检定车,控制室三大主要部分。水槽用于提供系统检定要求的静水，以及用于安装铁轨与供电系统。主要的测控系统安装在检定车上与操作室中;操作室中系统主要用于遥控检定车自动检定，接收、处理检定车发送来的检测数据以及提供友好的人机交互界面。检定车车上系统负责检测车速，位置，流速仪信号，

8、同时实现车体的无级调速以及控制悬挂系统翻转与转向。根据系统功能，按图2所示总体结构设计系统。本文着重描述流速仪信号采集处理的方法，图3为流速仪信号检测原理的结构框图。3路流速仪信号是由各独立的电源供电以防止串扰,再经过1IqJ»一无线收发器一1IqJ»一无线收发器一无线戏发器一主动力拖动子系统信号检测与悬挂控制系统辅助子系统位置检测模块车速检测模块图2总体检定系统堵构图线性光耦隔离，之所以采用线性光耦是为了能够在后端AD采样中，能够真实地获得流速仪的信号特征,软件滤波的作用是为滤除信号前沿的一些干扰信号，信号处理获得相邻两个或几个高脉冲的起止时间，从而计算出转速，最后通过串

9、口发送到上位机。h路流速侦j线性光或响仪信号尸|帼隔离调话FI菜祥FI淮波F1处理FI机|图3流速仪信号检刑系统的结构框3信号接口电路设计本系统的控制核心是利浦公司生产的ARM7系列的嵌入式微处理芯片LPC2214,该芯片片上集成了8路10位逐次逼近式模数转换器，测量范围为。3V,转换时间低至2.44仔,且可编程控制采样频率，完全满足流速仪信号采样频率的要求。本电路设计采用线性光耦HCNR201，这种光耦不但可以较好地实现模拟量和数字量之间的隔离.而且线性度好，电路简单，后端信号能比较真实的反映出前端信号的特征，图4为流速仪信号处理接口电路。图4流速仪信号处理接口电路光耦前端和后端的电源是独立

10、的，前端采用和流速仪一样的电源，后端元器件由板上数字电源供电，且两地之间分开，这样各种干扰信号就不会引入到光耦后端的系统，这在同时测多路流速仪信号过程中显得尤为重要，以避免流速仪信号之间相互串扰。第一级运放U1是做电压跟随器用，起到降低阻抗的作用，电阻R3起限流作用，设U1输出电压为VI,对于U2虚短原则可得:V1/V2,设U3的输出电压为皿，可得皿=1知2*R4,由K=】pDi/1pni，得out=K*Ip)i*R4=K*V1/R2*R4,令R2=R4,那么4/K,=K=l,此电路设计可以实现输入与输出的线性变化，经过标定后可以准确测得输入模拟电压的值。4软件设计4.1信号采集算法程序实现的

11、思想关键部分包括两个部分:首先是测量流速仪信号的总时间，其次是检测在测最过程中产生了几个有效的流速仪信号。两个工作是同时进行的，一旦检测到采集到足够的流速仪信号后就做信号周期计算，并将周期值发给上位机。判断有效信号的方法是判断信号的上升沿，一旦检测到信号的上升沿就认为采集到一个有效脉冲。检测信号的上升沿利用连续判断采集信号的值来确定的。比如判断如果连续采集到60个高点平就认为到达了信号的高电平区，这样可以滤除意外的短干扰,避免误触发。程序设计中还有一个难点就是判断测量点。因为程序是采用判断上升沿的方法来判断有效信号的个数的，因此在测量过程中从何时开始判断有效信号和计时是个关键问题。程序进入测域

12、时首先判断此时信号是处于高电平区还是低电平区，如果是高电平区，程序将一直检测低电平。一旦程序检测到低电平区，就等待信号的上升沿的到来。一旦第一个高电平信号来到就开始启动判断上升沿程序，并计时。当判断到采集足够数址的完整脉冲后就进行平均信号周期计算，并发送周期值给上位机。整套流速仪信号采集的程序流程图如图5所示。4.2水阻的特殊处理由于水阻的存在,流速信号一直是处于导通状态，在图5流程图中高低电平的判断上用硬件是很难处理妥当的，实际检测中，流速仪信号出来的电压范围随水阻的变化而变化，针对这个问题，本设计提出阈值比较滤波处理方法，就是用采集到的电压跟闽值进行比较，如果电压大于阈值就表明此时信号已经

13、进入高电平区，需要将该数值进行储存为后续的信号处理算法做准备。当采集电压值小于阈值时表明采集到的是信号的低电平区，则根据程序算法设计只统计其低电平区采集点的个数，并不做进一步处理。动态阈值确定的具体方法:要确定阈值首先要确定水电阻造成的直流干扰电压。这一干扰对流图5流速仪信号采集流程图速仪信号的影响就是抬高信号的低电平，降低信号的高电平。流速仪信号是方波信号,低电平理论上应该为0,因此，信号的一个周期中，水电阻噪声电压必然最接近信号的最小电压值。据此，可以通过检测一个周期中信号电压的最小值来预测噪声电压。算法中设定两个变量MAX与MIN,MAX用于存放一个周期中检测到的信号电压的最大值,MIN

14、用于存放最小值。检测完一个周期后，计算阈值，阈值=MIN+(MAXMIN)X20%。图6为水电阻处理算法流程图。使用默认MAX/MIN计算图6水电阻处理算法流程图在初次测虽时，可以先让检定车空跑一趟不检定流速仪，以获得初始的最大最小值，再次测量时就可以不受水阻的影响，很准确地检定出流速仪信号，这种方法智能化程度很高，脱离了硬件调试的困扰，已经在东部水利水文仪器检测中心运行良好。5结语通过对流速仪信号分析，改进信号调理方式,简化硬件电路，并对长期困扰流速仪检定的水阻问题，提出了新的软件解决方法，使得该系统具有智能排除水阻干扰，有效滤除抖动干扰，可靠性高的特点，具有良好的实用性，能够满足我国行业标

15、准直流明槽中转子式流速仪的检定方法规定的精度要求，作为整个检定系统的重要组成部分，已成功地用于东部水利水文仪器检测中心使用的检定车中。参考文献1 双正文，茄纯亮.吕霞付.基于嵌入式的智能流速仪研制J.电子测试,2008,(12)：7075陈显荣.转子式流速仪检定中对采集数据的判别J.水利水文自动化.1997,(1):15-192 ISO3455-1976.明渠水流测量一宜线明槽中转子式流速仪的检定S.北京:中国标准出版社,1995张石娃，杜军，刘志宏.最小二乘法在转子流速仪检定中的应用探讨J.气象水文海洋仪器，2003,(4)：29323 周立功.ARM嵌入式系统基础教程M.北京:北京航空航天

16、大学出版社,2005：132147李海波，林辉.线性光耦在电流采样中的应用J.电子元器件应用,2004,9JPES,«OOvns.auc万HPerformanceis9.93891c-006.1010:10”IO410'10'1325EpochsStopTraining（上接第164页）为检验训练仿真的效果数据。前四组数据目标值为0101,net.trainPararrtepochs=3000；net.trainParam.goal=le5；net.trainParam.Lr=2.05；net.trainParam.Lr_dec=0.05；隐含层神经元取8,传输函数为

17、S型函数，使用有自适应Lr的梯度下降算法进行训练1.00000.00800.2625-0.9637-0.4945-0.24820.00801.0000-0.84790.2352-0.80610.5686P=0.2625-0.84791.0000-0.46590.6530-0.8500-0.96370.2352-0.46591.00000.30490.3798训练过程及误差曲线如图1所示。采用后两组数进行仿真，结果为:0.0038,0.9960。跟实验结果0,1相符，仿真效果良好。图I规范化输入图2原始敬据网络网络训练性能曲线训练误差性能曲线2)我们采用原始数据作为有自适应Lr的梯度下降算法的输入样本集，同样我们选择前四组为输入样本集，后两组为仿真效果数据.参数设置同上，训练过程及误差曲线如图2所示。采用后两组数据进行仿真，结果为0.0100.0.4010。在这种情况下不但仿真效果不明显，而且训练次数成倍数的增加,难以达到训练要求。4结语针对由参数漂移的或者是参数不匹配引起的界限不明难以判别的故障，我们采用对输入样本进行平移和相关性处理的神经网络诊断故障的方法,这种对输入样本进行处理的方法相对比较简单易于实现，并可以解决训练过程中出现震荡，训练速度慢的问题，提高了故障诊断的准确性和时效性。参考文献1 高隽.人工神经网络原理及仿真实例M.北京：机械