专利名称：一种非介入式压力测量方法
技术领域：
本发明涉及一种非介入式压力测量方法，属于压力测量技术领 域。
背景技术：
液压系统具有灵活、力放大、运行平稳、安全等优点，广泛应用于各行业的各种机 械设备中。作为复杂主系统的子系统，液压系统的故障将会直接导致主系统的故障和失效， 从而造成严重的经济损失。作为提高液压系统安全可靠性的途径之一，液压系统的压力测 量技术一直受到使用者的重视。传统的压力测量方法主要采用测压仪表或压力传感器，感压元件必须和待测介质 相接触，以便直接反映压力。该类方法技术成熟、设备成本较低，但存在测量接口有限、拆装 困难、易造成事故，且破坏了管道系统的完整性及管内流场，对压力测量的准确性和精度造 成无法预知的影响，严重制约液压系统的状态监测和故障快速定位的发展。随着液压技术 朝着大功率、高效率、高度集成化等方向的不断发展及比例控制、伺服控制、数字控制的不 断完善，传统的介入式测量方法难已满足现代液压系统的要求，非介入式压力测量方法必 然是未来发展趋势。目前，对于管道压力的非介入式测量，有两种思路一是根据液体压力作用下管道 径向产生弹性变形的基本原理，通过检测管道外径变形量解算出管道内部工作压力。这种 基于管道弹性变形特性的非介入式压力检测方法，其性能受到管道变形特性的制约。如外 径为15mm、壁厚为3mm的钢管，当内部油压达25MPa时，其外径变形只有几微米。另一种是 利用检测源提供检测介质，与被检对象作用，使检测介质的参数随被检物体状态变化，从而 产生多种信号，通过对某些信号的检测、实现压力测量。这种测量方式的代表是超声波方 法，常用的超声测压方法有传播速度差法、多普勒法、波束偏移法和流动超声法等。对超声测压，超声波首先通过管内介质，再经管道内侧反射后，穿过介质被接收探 头接收，能量损失很大，而且，如果流体中有气泡或管道内壁表面粗糙，都会使得接收探头 很难接收到理想的信号。对小管径管道而言，单位压力和温度变化引起的超声波传播时间 的变化量非常小，由于管道尺寸及装置的能量问题，超声波传播距离受到限制，测量时总的 传播时间不可能设置得很大，因此使用超声方法测量压力时，要求时间测量装置的精度达 到微秒级，而且由于采集得到的超声信号又受到各种噪声的干扰，能否精确的测量超声波 传播时间的变化量是超声测压成功的关键，故现有的压力检测方法仅适合大管径、大流量 场合。对小管径液压管道的非介入式压力测量而言，本发明人提出了一种基于电容法的 非介入式压力测量方法(见参考文献1黄姣英，袁海文，安晨亮等.一种电容非介入式 压力测量方法研究.仪器仪表学报，2009，30 (8) :1773-1777)，从理论上验证了基于电容法 的非介入式压力测量的可行性。然而，对电容法测压而言，参考文献1压力测量精度不高，仅侧重于对测量机理 的研究，实验部分也只是对理论环节的初步验证，距离工程实际应用还存在一定的差距。
对非介入式超声波压力测量而言，由于管道管径小，单位压力和温度变化引起的 超声波传播时间的变化量非常小，超声波传播距离受到限制，测量时总的传播时间不可能 设置得很大，而且由于采集得到的超声信号又受到各种噪声的干扰，此外，超声波传播速度 受温度、流速及流体特性等影响，这些参数之间的关系十分复杂，无确定的数学公式描述， 其机理模型尚处在研究中，这些均导致了现有小管径超声测压法的精度不高。因此，现有的 非介入式超声波压力检测方法不适合管径小的液压系统。虽然，参考文献1从理论上验证了基于电容法的非介入式压力测量的可行性。然 而，压力测量精度不高，距离工程实际应用还存在一定的差距。这是因为电容测量系统中 总的杂散电容远远大于系统的静态电容值，且杂散电容随温度、结构、位置、内外电场分布 及器件的选取等诸多因素的影响而变化，使得被测信号往往淹没在干扰信号中，压力测量 精度不高。此外，传感器不仅受某个环境参量的影响，即不只受一个非目标参量的影响，有时 甚至受多个非目标参量的影响。为了提高传感器的稳定性，消除非目标参量对传感器输入 输出特性的影响，可采用多维回归分析法。然而，多维回归分析法存在如下不足为消除K 个非目标参量的影响，需建立(K+1)维回归方程，进行(K+1)维标定实验，并求解大规模的 矩阵方程，且在某些实际的工程测试中，达不到所需的测试准确度。
发明内容
1、目的本发明的目的是为了提供一种非介入式压力测量方法，它能解决小管径 管道液压系统的压力非介入式测量及测量精度不高等问题。2、技术方案本发明要解决的问题是，针对小管径管道的液压系统，基于电容法和 数据融合，实现压力的非介入式测量，为小管径液压系统的在线压力测量提供一种新的方 法。本发明一种非介入式压力测量方法，它包括以下步骤步骤一搭建实验平台。该平台由温度传感器，电容传感器，多路复用器1、2、3，可 编程放大器，可编程电源1、2，电压频率转换器，数字信号处理器，放大电路、放大滤波、键盘 显示器和串口组成。它们之间的位置连接关系是温度传感器连接多路复用器1，多路复用 器1的输出经放大电路后输入到多路复用器3，电容传感器连接多路复用器2，多路复用器 2的输出经可编程放大器后输入到多路复用器3，多路复用器3的输出经放大滤波电路后输 入到电压频率转换器，电压频率转换器连接到数字信号处理器。数字信号处理器分别控制 可编程电源1、2和多路复用器1、2、3，可编程电源1控制多路复用器1，可编程电源2控制 多路复用器2，数字信号处理器分别输入到串口和键盘显示器。相应的平台硬件结构如附图
5所示。步骤二 收集实验数据即收集电容测量电路的输出电压和温度输出电压，分别建 立测试样本库和训练样本库。分别选择不同温度，如20.2°C和32. 1°C。保持温度不变，压 力从OMpa开始，以IMpa为间隔递增，最高加压到13Mpa，每个压力点采集100个值做为一个 测量列，共14个测量列，并计算相应列的平均值，如表1所示。步骤三训练网络模型。步骤二中建立的训练样本库中的训练样本被送入函数型 连接神经网络(FLANN)并计算相应的输出结果，接着，根据采用的学习算法(如BP算法等)计算FLANN的权值。当网络的输出误差达到预定最小值时，网络训练完成。相应的FLANN 权值保存到DSP即数字信号处理器，用来测试所建数据融合模型的性能。为了消除冗余成 分，加速收敛速度，神经网络输入输出数值应是归一化的数值，即在一 1和1之间。为此，依 据如下归一化公式实验数据进行归一化处理
权利要求
1.本发明一种非介入式压力测量方法，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤一搭建实验平台；该平台由温度传感器，电容传感器，多路复用器，多路复用器 1、2、3，可编程放大器，可编程电源1、2，电压频率转换器，数字信号处理器，放大电路、放大 滤波电路、键盘显示器和串口组成，温度传感器连接多路复用器1，多路复用器1的输出经 放大电路后输入到多路复用器3，电容传感器连接多路复用器2，多路复用器2的输出经可 编程放大器后输入到多路复用器3，多路复用器3的输出经放大滤波电路后输入到电压频 率转换器，电压频率转换器连接到数字信号处理器。数字信号处理器分别控制可编程电源 1、2和多路复用器1、2、3，可编程电源1控制多路复用器1，可编程电源2控制多路复用器 2，数字信号处理器分别输入到串口和键盘显示器；步骤二 收集实验数据即收集电容测量电路的输出电压和温度输出电压，分别建立测 试样本库和训练样本库；分别选择不同温度并保持温度不变，压力从OMpa开始，以IMpa为 间隔递增，最高加压到13Mpa，每个压力点采集100个值做为一个测量列，共14个测量列，并 计算相应列的平均值；步骤三训练网络模型；步骤二中建立的训练样本库中的训练样本被送入函数型连接 神经网络即FLANN并计算相应的输出结果，接着，根据采用的学习算法计算FLANN的权值； 当网络的输出误差达到预定最小值时，网络训练完成；相应的FLANN权值保存到DSP即数字 信号处理器，用来测试所建数据融合模型的性能；为了消除冗余成分，加速收敛速度，神经 网络输入输出数值应是归一化的数值，即在一 1和1之间；为此，依据如下归一化公式实验 数据进行归一化处理
全文摘要
本发明一种非介入式压力测量方法，它包括五大步骤。步骤一搭建实验平台；步骤二收集实验数据，分别建立测试样本库和训练样本库；步骤三训练网络模型；步骤四测试网络模型；步骤五压力在线测量。本发明基于电容法和数据融合，能消除环境温度等影响，提高了压力测量的准确性和可靠性，实现压力的非介入式测量，为小管径液压系统的在线压力测量提供一种新的方法。它在液压系统的压力测量技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。
文档编号G01L19/04GK102141455SQ20101058156
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者王香芬, 高成, 鹿靖, 黄姣英 申请人:北京航空航天大学