磁致伸縮液位傳感器是一種新型的、高精度、高靈敏度、可用于傳統(tǒng)液位傳感器不能滿足要求的工業(yè)場合，其廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工等工 業(yè)領(lǐng)域，本文研究的磁致伸縮液位傳感器應(yīng)用 于航空發(fā)動機(jī)滑油噴嘴流量試驗(yàn)器的計(jì)量系統(tǒng)中， 因此其測量精度，對環(huán)境的適應(yīng)性以及抗力 更為重要。
在磁致伸縮液位傳感器問題的研究上，顏慶偉等人對傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹分析，設(shè)計(jì)了模塊化的電路設(shè)計(jì)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了這種電路設(shè)計(jì)方法具有較好的靜態(tài)、動態(tài)特性，可以提高傳感器的整體性能。代國前、王崢等人［8－9］ 運(yùn)用了電磁學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)理論對磁致伸縮液位傳感器的彈性波產(chǎn)生機(jī)理、信號檢測機(jī)理等建立數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算、實(shí)驗(yàn)對建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，對后來學(xué)者研究提高傳感器測量精度的方法提供了較好的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，具有積極的意義。但是這些學(xué)者對于溫度對傳感器的影響沒有進(jìn)行研究。陶若杰等［10］研究了一種雙絲差動的新型結(jié)構(gòu)，有效的降低了磁致伸縮位移傳感器的噪聲干擾，提高了測量的精度。李永波等［11］對分析了溫 度對傳感器晶振頻率、回波速率以及液體密度對傳感器測量精度的影響，提出了可以消除上述影響的雙輔助磁性浮子設(shè)計(jì)方法。但是這些提高傳感器精度的方法均采用改動硬件結(jié)構(gòu)的方式，不僅不易于實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性不強(qiáng)，不能夠?qū)θ踢M(jìn)行補(bǔ)償、補(bǔ)償電路易產(chǎn)生漂移等問題，而且對已生產(chǎn)的、已經(jīng)投入使用的傳感器無法采用該種方法進(jìn)行修正。
依據(jù)上述問題，本文建立基于改進(jìn)型自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的磁致伸縮液位傳感器的溫度補(bǔ)償方法。該系統(tǒng)采用附加動量算法不斷修正自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)中的前題參數(shù)以避免采用梯度下降算法時(shí)易陷入局部極小，訓(xùn)練速度較慢等缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的忽略網(wǎng)絡(luò)中微小變化的能力。結(jié)合理論分析與試驗(yàn)研究，對該種溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行了相關(guān)測試和分析。
1傳感器誤差分析
1.1磁致伸縮液位傳感器工作原理
根據(jù)磁體的磁致伸縮原理設(shè)計(jì)出磁致伸縮液位 傳感器，由不會被磁化的不銹鋼波導(dǎo)管、波導(dǎo)絲、內(nèi)部 裝有磁鐵的浮球以及電子信號處理裝置等組成。傳感器工作時(shí)，裝在傳感器最上端的電子信號處理裝置首先會將一個電流脈沖信號發(fā)送給磁致伸縮波導(dǎo)絲上，電脈沖會產(chǎn)生一個環(huán)形磁場，以光速傳播，導(dǎo)波管會因?yàn)橛呻娏髅}沖信號產(chǎn)生的環(huán)形磁場遇到浮球內(nèi)的磁鐵時(shí)相互疊加而產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲，并且會因此產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖的超聲波，超聲波以一個固定的速率在波導(dǎo)管中向兩端傳播，當(dāng)一端超聲波遇到末端的衰減阻尼器時(shí)能量會被吸收，另一端超聲波傳到電子信號處理裝置的接收器時(shí)會被轉(zhuǎn)化為電流脈沖信號并被計(jì)時(shí)器采集，這樣通過超聲波的速度乘以發(fā)射電流脈沖與接收電流脈沖的時(shí)間差即可得到浮球的位置。
1.2溫度對傳感器內(nèi)部晶振的影響
通過對傳感器工作原理了解可知，浮子的位置 是由測量時(shí)的激勵脈沖與返回脈沖的時(shí)間決定的， 因此時(shí)鐘晶振是決定傳感器穩(wěn)定性以及測量精度的 重要因素，然而在被測液位溫度變化較大時(shí)，晶振會 產(chǎn)生溫度漂移，隨之帶來的傳感器測量的誤差，可以 使用溫度漂移系數(shù)來表示晶振的溫度漂移:為在標(biāo)定溫度下，進(jìn)行測量時(shí)的脈沖數(shù); k 為晶振的溫度漂移系數(shù)。
1.3溫度對回波速率的影響
磁致伸縮液位傳感器的本質(zhì)是使用時(shí)間值表示液位值，彈性模量等參數(shù)有關(guān)，而這些參數(shù)會隨著溫度變化產(chǎn)生明顯的改變，因此上述回波速率公式適用于恒溫下，溫度變化不大的測量場合。
1.4溫度對磁致伸縮液位傳感器浮子的影響
本文研究的傳感器的被測液體是航空滑油，其 密度會隨著溫度變化而變化，通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測量， 二者變化曲線類似于拋物線，而密度的變化會使得 同一個物體侵入該液體體積發(fā)生改變。由磁致伸縮 液位傳感器的工作原理得知傳感器是通過浮球侵入 液體從而反應(yīng)出相對于的液位，溫度的變化勢必影 響傳感器浮球侵入液體的體積，從而影響傳感器測 量的準(zhǔn)確性，特別對于溫差較大的系統(tǒng)，其誤差有可 能超過系統(tǒng)的要求。因此在溫度變化較大的系統(tǒng)必 須消除溫度對磁致伸縮液位傳感器的影響。
可見，滑油密度的改變會改變浮球浸入滑油的高度，浸入滑油的高度改變勢必使得液位讀數(shù)發(fā)生改變，使得測量產(chǎn)生了誤差。通過上述對溫度影響磁致伸縮液位傳感器測量精度的分析可知，溫度會對多種因素產(chǎn)生影響，因此使用硬件設(shè)計(jì)不易于對多種影響因素進(jìn)行修正，可以通過使用結(jié)合智能算法的軟件修正方式對其補(bǔ)償。
2改進(jìn)型 ANFIS
2.1典型自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理
系統(tǒng)典型的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常分為 5 層網(wǎng)絡(luò)，包括兩個輸入層，兩個規(guī)則層與一個輸出層。系統(tǒng)中帶有參數(shù)的自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)用方形節(jié)點(diǎn)表示，不帶參數(shù)的固定節(jié)點(diǎn)由圓形節(jié)點(diǎn)表示通過對 ANFIS 結(jié)構(gòu)分析可知，當(dāng)系統(tǒng)前題參數(shù)給定時(shí)，自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的輸出可由結(jié)論參數(shù)線性組合得出使用混合學(xué)習(xí)算法來不斷修正前題參數(shù)和結(jié)論
參數(shù)即為自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)的核心思想。使用時(shí)須要先將一初始值賦給前題參數(shù)，并通過使用遞推最小二乘估計(jì)算法得到結(jié)論參數(shù)，然后使用梯度下降法將系統(tǒng)誤差反向向前傳播，即從第 5 層向第 1 層傳播，從而修正前題參數(shù)。
2.2改進(jìn)型自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)
由于梯度下降算法具有容易陷入局部極小，訓(xùn)練速度較慢等缺點(diǎn)，因此對 ANFIS 進(jìn)行改進(jìn)，采用附加動量算法來不斷修正 ANFIS 的前題參數(shù)，這樣就可以將在誤差曲面中，由目標(biāo)誤差變化產(chǎn)生的影響和在梯度中目標(biāo)誤差的作用同時(shí)進(jìn)行考慮，它的作用類似于低通濾波器，使得自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)對微弱的、可忽略的變化進(jìn)行過濾，即使系統(tǒng)具有跳過誤差曲線局部極小值的能力使用附加動量法進(jìn)行修正的實(shí)質(zhì)就是通過一個 動量因子來傳遞次前題參數(shù)變化的影響。當(dāng) 該動量因子 λ = 0 時(shí)，為傳統(tǒng)的 ANFIS 算法，即前題參數(shù)僅受梯度下降法影響; 當(dāng)該動量因子 λ = 1 時(shí)， 將新的前題參數(shù)變化設(shè)置為次前題參數(shù)的變 化，忽略倒由梯度下降法參數(shù)的變化部分。這樣通 過增加動量項(xiàng)，使得前題參數(shù)的調(diào)節(jié)趨向誤差曲面 底部平均方向變化，當(dāng)進(jìn)入誤差曲面底部平坦區(qū)域時(shí)，Δci( n+1) ≈Δci( n) ，從而有效防止出現(xiàn) Δci = 0，這樣有利于網(wǎng)絡(luò)從誤差曲面的局部極小值中跳出。
由附加動量法設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可知，當(dāng)出現(xiàn)修正的前題參數(shù)導(dǎo)致誤差產(chǎn)生較大增長，以及當(dāng)新的誤差變化率相對于原值超過了已經(jīng)設(shè)定的誤差變化率時(shí)，則不能采用新的前題參數(shù)，避免網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入較大的誤差曲面。因此，為了準(zhǔn)確使用修正方法，要在訓(xùn)練程序中加入條件判斷條件:3溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究
3.1溫度補(bǔ)償前實(shí)驗(yàn)分析
本文研究的液位標(biāo)定溫度補(bǔ)償試驗(yàn)所使用的標(biāo)定測試裝置組成。所研究的傳感器為在航空滑油噴嘴流量試驗(yàn)器上用于計(jì)量的 JLM 磁致伸縮液位傳感器，其量程范圍為 0 到 700 mm，非線性度為 0．1%，被測液體為 HP－8A 型航空滑油，滑油的溫度范圍為 20 ℃ ～ 70 ℃ ，溫度傳感器為 WBJ / ＲPB23ZNd 型溫度變送器，溫度測量量程為 0 ～ 150℃ ，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為西門子 S7 － 300 的模擬量采集模塊 SM331，其具有 15 位的分辨率。被測試的傳感器安裝在油桶中，被加熱至適當(dāng)溫度的滑油通過滑油噴嘴噴出，進(jìn)入油桶，油桶與標(biāo)有刻度的游標(biāo)連通，油桶中滑油的實(shí)際液位通過游標(biāo)讀出，磁致伸縮液位傳感器和溫度傳感器的測量值通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集處理傳至上位機(jī)。由于該種滑油主要工作溫度為( 60±5) ℃ ，所以僅對 20 ℃ ～ 70 ℃ 范圍內(nèi)，溫度對傳感器精度的影響進(jìn)行研究和修正。
通過實(shí)驗(yàn)測得未對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)如表 1 所示。通過對溫度補(bǔ)償前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，在相同實(shí)際液位高度下，不同溫度測量時(shí)間的測量液位值會隨著溫度升高而增大。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償前的傳感器工作曲線如圖 4 所示，可以看出在同一溫度下，實(shí)際液位越高，溫度漂移現(xiàn)象越明顯，說明液位值越高受到溫度的影響越大。在低液位區(qū)域，傳感器輸出的線性度比高液位區(qū)域略好。溫度補(bǔ)償前的測量誤差曲線如圖 5 所示，在相同溫度下，液位值越高，測量時(shí)受到溫度影響越大，測量誤差越大。在 70． 2 ℃ 時(shí)，傳感器在600 mm 液位測量時(shí)會因?yàn)闇囟扔绊懚a(chǎn)生 18． 5%左右的誤差。
3.2溫度補(bǔ)償后實(shí)驗(yàn)分析
溫度補(bǔ)償原理如圖 6 所示。實(shí)際液位高度 H與實(shí)際溫度 Tr 共同決定了磁致伸縮液位傳感器輸出的液位高度 Ho ，即傳感器輸出是關(guān)于 Hr 和 Tr 的函數(shù): Ho = f( Hr ，Tr ) 。為了消除溫度 Tr 對傳感器的影響，將溫度輸出 To 與實(shí)際液位高度 Hr 作為ANFIS 的輸入，將用于作為訓(xùn)練樣本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對
溫度補(bǔ)償?shù)?ANFIS 進(jìn)行訓(xùn)練，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)，系統(tǒng)能夠?qū)⑤斎氲膶?shí)際液位高度 Hr 、溫度 To 、傳感器輸出高度 Ho 建立非線性映射，通過對參數(shù)不斷優(yōu)化使得系統(tǒng)輸出 Hc 最終逼近實(shí)際液位高度 Hr ，最后通過測試數(shù)據(jù)對 ANFIS 輸出的液位高度進(jìn)行測試。使用 ANFIS 進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)某绦蚩驁D如圖 7 所示。使用溫度范圍在 20 ℃ ～ 70 ℃ ，液位范圍在100 mm ～ 600 mm 的未經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為 ANFIS 的訓(xùn)練樣本，為了消除量綱不同對計(jì)算的產(chǎn)生的影響對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。
隸屬函數(shù)選取為三角函數(shù)，設(shè)定 a、b、c 參數(shù)的學(xué)習(xí)率為 0．01; 允許誤差為 1×10－4 。隸屬函數(shù)個數(shù)將決定 ANFIS 訓(xùn)練結(jié)果的質(zhì)量，因此需要選取合適的隸屬函數(shù)個數(shù)。通過仿真研究可知，增大隸屬函數(shù)個數(shù)可以減小誤差，但會增加計(jì)算量，經(jīng)過比較隸屬函數(shù)個數(shù)選為 7 時(shí)的訓(xùn)練效果相對較好。使用梯度下降算法作為誤差反向傳播算法時(shí)， 設(shè)置目標(biāo)誤差為 1×10－4 ，通過 301 步迭代運(yùn)算可以達(dá)到誤差要求，而使用動量附加算法作為誤差反向傳播算法時(shí)，設(shè)置目標(biāo)誤差為 1×10－4 ，通過 174 步迭代運(yùn)算可以達(dá)到誤差要求。
通過溫度補(bǔ)償后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到傳感器的工作曲線如圖 8。補(bǔ)償后傳感器的輸出基本不會受到溫度影響，線性度非常好。可以看出通過使用改進(jìn)型 ANFIS 溫度補(bǔ)償后，在 20 ℃ ～ 70 ℃ 溫度范圍內(nèi)，100 mm ～ 600 mm液位范圍內(nèi)的測量誤差均低于 0．88%。
為比較改進(jìn)型 ANFIS 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)勢，建立基于 PSO-LSSVM 模型和基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償模型，并利用同樣的數(shù)據(jù)樣本對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。對 PSO-LSSVM 模型設(shè)置進(jìn)化代數(shù)為 100，種群規(guī)模為 40，c1 = c2 = 2．5; 對 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型選擇隱含層的單元數(shù)為 11，選擇 Sigmoid 函數(shù)為隱含層函數(shù)，Pureline 線性函數(shù)為輸出層計(jì)算函數(shù)，trainlm 為訓(xùn)練函數(shù)，設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)為 1500。
補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，可以看出 3 種補(bǔ)償方法均可以在一定程度上有效補(bǔ)償溫度對傳感器產(chǎn)生的影 響。對比3 種不同補(bǔ)償方法的效果，可以看出使用了基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償方法的相對誤差為 3． 65%，平均為 3． 12%，使用了 PSO-LSSVM補(bǔ)償方法的相對誤差為 2．18%，平均為 1．92%，而改進(jìn)型 ANFIS 方法的相對誤差為 0．88%，平均為 0．65%，遠(yuǎn)小于另外兩種補(bǔ)償方法。這說明 使用了改進(jìn)型 ANFIS 的溫度補(bǔ)償方法能夠有效消除溫度對磁致伸縮液位傳感器的影響。
4 結(jié)論
①介紹了磁致伸縮液位傳感器的工作原理，對由于被測液體溫度變化而產(chǎn)生的誤差機(jī)理進(jìn)行了分析。
②針對傳感器的溫度補(bǔ)償，對自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用附加動量算法不斷修正自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)中的前題參數(shù)以避免采用梯度下降算法時(shí)易陷入局部極小，訓(xùn)練速度較慢等缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的忽略網(wǎng)絡(luò)中微小變化的能力。
③將改進(jìn)型 ANFIS 溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行實(shí)際測試，并于基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于 PSO-LSSVM 模型的溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行比較，改進(jìn)型 ANFIS 溫度補(bǔ)償性能優(yōu)于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于 PSO-LSSVM 模型的溫度補(bǔ)償方法，具有很強(qiáng)的泛化能力。
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