1、一种电容非介入式压力测量方法研究 *摘 要：非介入测量对液压系统的故障诊断与检测具有关键作用，研究了液压系统的电容非介入式压力测量的可行性,基于函数型连接神经网络建立了电容式压力测量的电容与压力的数学模型,在此基础上,设计了相应的电容非介入式压力测量实验平台,结合实验，得出实际液压系统中电容和压力确切的数学关系，也定性分析了液压油介电常数和温度的关系。仿真和实验结果表明,变介电常数电容法在液压管路压力非介入式测量中完全可行,为小管径液压系统的在线压力测量提供一种新的方法.关键词：非介入压力测量；液压系统；变介电常数；电容；函数型连接神经网络Research on non-intrusive p
2、ressure measurement based on capacitor methodAbstract：Non-intrusive pressure measurement plays a crucial role in failure diagnosis and detection of hydraulic system. A method based on capacitor is discussed in this paper and a mathematical model based on functional link neural network (FLNN) is esta
3、blished, which establishes the relationship between capacitor and pressure of the oil in a hydraulic system. A test platform of pressure via capacitor measurement was designed. Through experiments, the accurate mathematical relationship between capacitor and pressure of the hydraulic system is obtai
4、ned. And the qualitative analysis of the relationship between capacitor and temperature of the oil is completed. Simulation and test results indicate that the proposed method is feasible for non-intrusive pressure measurement. It offers a new online pressure measurement method for hydraulic system w
5、ith pipe diameter less than 15mm.Key words：non-intrusive pressure measurement；hydraulic system；variable dielectric constant；capacitor ；FLNN1 引 言液压系统故障率高、故障检测定位困难 1-2。对系统液体压力的测量，传统的介入式方法都是把感知元件与被测液体直接接触，这样就给测量工作带来了极大的不便，特别是在被测液体是强腐蚀、有毒、高压的情况下，对检测和维修人员具有极大的危害性。非介入式液压检测方法无需预留检测接口，在不改变原系统工作状态的前提下，可对液压系统
6、的主要工作参数进行管外测量，进而对液压系统的工作状态进行全面分析和快速故障定位。目前应用最多的是超声非介入式管道压力测量方法，通过测量超声波在油液中的声速达到测量压力之目的 3-6。电容式传感器的主要优点是温度稳定性好，结构简单、适应性强、动态响应好，以及可以实现非接触测量、具有平均效应等 7-8。目前，已有很多学者和工程人员利用变介电常数电容法对固态物质中水分的含量进行了测量研究，文献9 提出了用变介电常数式电容传感器来测量粮食水分的原理，被测粮食放入传感器两极板间，由于粮食的含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化。文献10基于变压器绝缘纸板中的微水分影响其
7、介电特性，设计阵列式微水分传感器，用介电测量的方法得到纸板内的微水分分布，进而转换为各处的水分质量分数。以上的基本工作方式都是将所测物质的试样作为电介质填入电容的两个电极之间，然后根据装料前后所测得的结果换算出物质的含水量。在 多 相 流 测 量 中 ， 变 介 电 常 数 式 电 容 测 量 法 也 发 挥着 重 要 作 用 。 文 献 11提 出 了 电 容 法 测 量 水 流 含 沙 量 ， 泥沙 与 水 的 混 合 实 际 上 是 固 液 两 相 的 统 计 混 合 物 ， 利 用 泥沙 与 水 混 合 物 引 起 的 介 电 常 数 差 异 的 电 物 理 特 性 ， 采 用变 介
8、电 常 数 电 容 式 传 感 器 原 理 ， 可 将 泥 沙 含 量 的 变 化 转换 成 电 容 量 的 变 化 。 他 们 的 研 究 结 果 表 明 ， 水 流 泥 沙 含量 与 传 感 器 的 输 出 呈 线 性 关 系 。 在 利 用 电 容 式 传 感 器 测量 原 油 的 含 水 率 方 面 ， 戴 永 寿 、 赵 雪 英 等 人 12做 了 深 入的 研 究 ， 并 且 该 方 法 已 经 成 功 运 用 到 大 庆 油 田 中 ， 进 行原 油 含 水 率 的 测 量 。关于电容法在多相流测量方面的研究，最广泛的要属利用电容法测量气-液两相流的含气率。姜凡 13、A。Jaw
9、orek 14-15等众多的研究者都将变介电常数式电容法测量气- 液两相流中空气泡含量应用于电容层析成像技术，其测量原理是：多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当各相组分浓度及其分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，从而使得测量电容值随之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相浓度的大小和分布状况。由以上所述可以看出，目前液压管道的非介入式测量方法主要是基于超声波式的，变介电常数电容测量方法在多相流中测各相组成部分浓度方面来说相对比较成熟，但在压力测量研究方面的国内外文献资料很少，远不如超声波测量研究活跃，仍处在不成熟、探索阶段。本文基于 FLNN 系统建模， 提出了一种电容非
10、介入式液压测量方法， 论证了变介电常数电容法在液压管路(小管径管道 DN 15 mm 以下) 压力非介入式测量中应用的可行性。结合实验，得出实际液压系统电容和压力确切的数学关系，也定性分析了液压油介电常数和温度的关系。 实验结果表明电容法非介入式液压测量完全可行。2 测量原理液压油的介电常数不是固定不变的常数，它的数值会随着外部条件的变化而变化，受压力和温度两种因素的影响，简化液压油的相对介电常数随温度和压力变化的三维变化图像如图 1 所示 16。正是介电常数会随着压力和温度的变化而变化，才为电容式液压管路压力的非介入式测量提供了可能。图 1 简化液压油的相对介电常数与温度、压力的关系Fig.
11、1 Simplified relationship among ，P and T基于变介电常数电容式压力测量原理如图 2 所示，在x 和 y 的位置分别设置相同的电极，让 与fjx各fj自作为电容器的两个电极，流体所在管道作为电容器电极间电介质的一部分。压力变化引起介电常数变化，从而引起 x 和 y 处电容量发生变化。 本文主要基于FLNN，建立基于变介电常数电容式压力测量的 C=f(P)模型。图 2 基于变介电常数电容式压力测量原理Fig.2 Pressure measurement based on dielectric constant3 测量系统建模为了建立电容式压力测量模型，应用一个
12、函数型连接神经网络 17(functional link neural network, FLNN) 完成系统模型。对液压系统的压力测量而言，在测量范围内，电容量 C 和压力 P 的特性可用幂级数多项式描述如下：(1)231()ixbwwP式中：b 和 表示电容量 C 和压力 P 之间的,)i相关特性参数。式(1) 中，压力 P 有 I 个标准测量模式P(k)，与 P 相关的 C 对应有 I 个待估计模式C(k)，其中， 。每个标准测量模式可以扩展到 N 个分1,2kI量 Pi(k)， ， 即 可 得 到 一 个 数 据 扩 展 集,11， P (k)， P1(k)， P2(k)， ， PN-
13、1(k)。将这些分量作为神经网络的输入，待估计模式C(k)作为神经网络的期望输出，构成一个函数型连接神经网络，如图 3 所示。图 3 函数型连接神经网络模型Fig.3 FLNN model在一个函数型神经网络中，函数型连接的作用是将输入模式的每个分离乘以整个模式向量，其结果是产生一个原始模式向量的外积。用单层网络实现监督学习。对 FLNN， 相应的学习算法可由下式表示：(2)0()()njiiykxwk(3)iiiey权值调整：(4)(1)()jjjiikekx式中： 分别表示为第i个输入iiijyw、 、 、模式的期望输出、估计输出、误差和函数型网络在第k步的第j个连接权； 表示稳定性和收敛
14、性的学习因子。4 实验及结果分析4.1 实验系统组成为 了 从 实 验 角 度 验 证 非 介 入 式 电 容 法 测 量 液 压 系 统 压力 的 可 行 性 ， 搭 建 了 非 介 入 液 压 系 统 压 力 测 量 实 验 平 台 ，如 图 4 所 示 。 该 实 验 平 台 主 要 由 液 压 系 统 、 电 容 装 置 、TH2810B 型 LCR 数 字 电 桥 和 上 位 机 组 成 。 液 压 系 统 最 大可 以 产 生 15 MPa 的 压 力 ； 使 用 LCR 数 字 电 桥 采 集 自 制电 容 装 置 的 电 容 值 ， 将 采 集 到 的 数 据 通 过 串 口
15、上 传 到 上 位机 进 行 存 储 和 处 理 。 LCR 数 字 电 桥 采 用 同 惠 公 司 生 产 的TH2810B 型 电 桥 仪 ， 电 容 测 量 范 围 是 C： 0.01 pF9 999 F;测量 准 确 度 是 0.1%。图 4 电容非介入式压力测量实验平台Fig.4 Test platform of pressure measurement4.2 压力和电容量关系测定实验为 了 测 量 液 压 系 统 压 力 变 化 引 起 液 压 油 介 电 常 数 的 变化 程 度 ， 设 计 以 下 实 验 ， 压 力 从 0 Mpa 开 始 ， 以 2.5 Mpa为 间 隔 递
16、 增 ， 最 高 加 压 到 13.5 Mpa， 作 为 神 经 网 络 的 输 入 ，以 获 取 训 练 样 本 。 每 个 压 力 点 采 集 100 个 值 并 取 其 算 术 平均 值 ， 作 为 神 经 网 络 的 输 出 ， 以 获 取 训 练 样 本 。 如 表 1 所示 。表 1 测量压力与电容Table 1 Pressure and capacitor measurement样本1 2 3 4 5 6 7压力/MPa 0 2.5 5 7.5 10 12.5 13.5电容/pF 231.48 231.62 231.59 231.84 232.29 232.89 232.96用
17、MATLAB 编写训练仿真程序，根据测量精度要求，取式(1)中 i=2，即取 2 阶，则有：(5)1()ggCxbwP式中：C g、P g 为归一化的电容 C 和压力 P，与实测样本值的关系为：; ，则有maxgaxg(6)21amax()bwP网络经过 4 104 次训练，误差达到 4.48 10-5，得到网络模型参数为：b=0.993 733，w 1=-0.001 623，w 2=0.008 113。将网络参数代入(6)得电容和压力的函数关系为：(7)23.508 .037CP图 5 为仿真值与实际值误差分析。从式(7)及图 5 可以看出，随着压力的增加电容值也随之增加。一般的，在传感器极
18、板间距和极板面积等条件不变的情况下，电容的增加只能是由介电常数的增加引起，也就是说液压系统的压力变化导致了液压油介电常数的变化，证明了本文提出的基于电容的非介入压力测量的可行性。图 5 仿真值与实际值误差分析Fig.5 Error analysis of simulation value and actual value4.3 温度和电容量关系测定实验在正常工作的液压系统中，液压油的温度随着时间而增加，从图 1 可以看出，随着液压油温度的增加，液压油的介电常数会减小，而介电常数的减小会导致电容值的减小。为了定性分析液压油介电常数和温度的这种关系，这里选择在 0 Mpa 和 2.5 Mpa 这两
19、点压力值处进行两次长时间实验。实验时，固定电容传感器装置的极板间距、面积等参数保持不变，只改变液压油的温度。每次实验开始时保证液压油温度为室温，实验过程中保持液压系统压力为恒定值，持续 10 min 左右，实验结束后液压油温度会升高 10 度左右，然后将液压油冷却至室温为下次实验做准备，同时，在实验过程中采集电容值，每次实验采集1 000 个数据。由于测量结果中耦合有噪声，利用快速傅里叶变化(FFT)和快速傅里叶逆变换 (IFFT）结合进行降噪处理。对数据去噪处理和拟合的结果如图 6 所示。图 6 电容测量值和温度关系曲线Fig.6 Curves of capacitor vs. temper
20、ature从图 6 中可以看出，压力为 0 MPa 时电容装置的电容量在油温升高后减小了 0.15 pF，压力为 2.5 Mpa 时电容装置的电容量在油温升高后减小了 0.19 pF，可以看出：电容值随着温度的增加而减小，实验结果和理论分析基本符合。5 结 论本文基于 FLNN 系统建模，提出了一种电容非介入式液压测量的新方法，分析了电容法在液压管路压力非介入式测量中应用的可行性，结合实验，得出实际液压系统电容和压力确切的数学关系，也定性分析了液压油介电常数和温度的关系。实际液压管路测量系统中误差分析方法及多源信息融合有待进一步研究。参考文献1 陈家焱,陈章位.液压系统故障诊断技术的现状与发展
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