謝惠琴　楊鐵?！√K景賢　侯曙光

(1.新美亞科技(深圳)有限公司，深圳 518045；2.廣東五邑大學 機電工程學院，江門 529020；3.廣東永堅精機(江門)有限公司，江門 529000)

0　引言

測量誤差的大小是衡量測量儀器的重要指標，而測量儀的數(shù)據(jù)后處理是提高儀器測量準確度、降低測量偏差的一個重要方法。本文對用內(nèi)徑測量儀測量擠出機機筒內(nèi)徑的測量數(shù)據(jù)進行分析后，給出了對數(shù)據(jù)后處理的方法，從而達到提高測量精度的目的。根據(jù)江門某企業(yè)所提出的要求，針對雙螺桿擠出機機筒的內(nèi)徑測量設計了一款測量頭。其測量系統(tǒng)由測量頭、NI USB6210數(shù)據(jù)采集卡、24V直流穩(wěn)壓電源、電渦流傳感器及其相應的處理器、激光傳感器、電路板、若干電纜線和導線等組成。

通過實驗驗證測量頭所采集的數(shù)據(jù)存在較大的誤差。因此，對所開發(fā)的測量儀進行數(shù)據(jù)后處理的研究有著必要性和現(xiàn)實性。

1　測量數(shù)據(jù)采樣與誤差分析

如圖1所示為∞型雙螺桿擠出機機筒磨損前后的示意圖。針對其內(nèi)徑測量設計了一款測量頭，如圖2所示。

圖1　被測機筒形狀

圖2　測量頭三維造型圖

經(jīng)分析知:測量誤差主要來源于傳感器的原理誤差和被測對象尺寸范圍及其材料的標定誤差[1-2]。

由傳感器原理知,其所測得的位移量是指:以探頭中心所對應被測機筒截面為圓心,1.5倍[3]探頭直徑的圓區(qū)域內(nèi),傳感器對被測表面所測值的平均值。經(jīng)實驗表明：據(jù)此原理[4]所研制的擠出機機筒內(nèi)徑測量儀所測得的直徑量與真實值存在較大的偏差，實驗情況如圖3與表1所示。

圖3　針對φ68機筒孔徑實驗所測直徑曲線圖

表1　理論直徑與實測直徑對比　(單位：mm)

從圖3知：當測量儀對機筒嚴重磨損截面進行測量時，其結果比實際值偏小，即測量結果發(fā)生“鈍化”；當測量儀對兩嚴重磨損截面之間進行測量時，其結果比實際值偏大，即測量結果發(fā)生“腐化”。而因保護電壓極限，當測量儀對機筒開槽處或排氣口進行測量時，被測位移量將大于傳感器線性量程的最大測量值，該區(qū)域內(nèi)的值保持線性量程的最大值不變。

當被測機筒直徑尺寸為標定直徑尺寸時，測量儀所測得的數(shù)據(jù)誤差較??；當被測機筒直徑尺寸非標定直徑尺寸時，測量儀所測得的數(shù)據(jù)誤差較大。

2　測量數(shù)據(jù)后處理的原理

本文研究的測量儀，其測量方式為動態(tài)測量。測量過程中，測量儀器任一時刻所測得的值減去被測量該時刻的理論值，所得代數(shù)差為動態(tài)測量誤差e(t)。

e(t)=x(t)-x0(t)

(1)

式中，x(t)為被測量的測量值；x0(t)為被測量的真值；t為一個過程參變量。

對動態(tài)測量誤差大小的評定可采用先驗分析法或數(shù)據(jù)處理法[5]。從文獻[6]得到啟發(fā)，本文首先將測量儀對機筒所測得的數(shù)據(jù)與其真值進行比較，結合傳感器測量原理分析出誤差的系統(tǒng)特性。然后，結合其測量數(shù)據(jù)構建誤差補償函數(shù)，進行測量結果的修正。

對動態(tài)測量誤差的處理一般包括數(shù)據(jù)預處理、誤差分離和誤差修正三方面內(nèi)容[7]。

預處理：首先去除測量儀所測得的起始段和末尾段的無效數(shù)據(jù)，截取中間段的有效數(shù)據(jù)；其次剔除中間段中的缺口、開槽及排氣孔的異常數(shù)據(jù)。

誤差分離：對預處理后獲得的數(shù)據(jù)進行測量誤差分析與分離，得出誤差來源，找出符合一定條件的極值，并確定其位置。

誤差修正：根據(jù)所構建的數(shù)據(jù)補償函數(shù)得到對應修正值，然后將其補償?shù)綄獪y量值中，實現(xiàn)測量值的修正。

3　測量數(shù)據(jù)后處理函數(shù)的構建

通過實驗數(shù)據(jù)分析，得到誤差分布規(guī)律為：當測量值為峰值時，測量結果比真實值偏小，即測量誤差為負；當測量值為谷值時，測量結果比真實值偏大，即測量誤差為正；測得數(shù)據(jù)分布曲線與機筒磨損情況一致，呈波浪形分布；以測量峰值或谷值所在位置為圓心，1.5倍探頭直徑圓區(qū)域面積內(nèi)的數(shù)據(jù)關于峰值或谷值所在位置對稱分布。

根據(jù)電渦流形成原理：當在被測表面上形成的渦流距離渦流中心點越近，其所形成的電渦流強度越強。因此，越靠近極值所在位置處，測量點鄰域對極值的影響程度越大，反之影響程度越小。故本文選用以極值所在截面位置為中心，探頭半徑區(qū)域內(nèi)所測得的直徑為構建誤差補償函數(shù)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

假設所測得直徑中，直徑dn為所測得直徑的極值，直徑dn-i與dn+i為以極值所在截面位置為中心，探頭半徑為半徑的區(qū)域內(nèi)所測得的直徑，則極值與各直徑之差為：

Δi0=dn-dn-i，Δi1=dn-dn+i

(2)

式中，Δij為極值與其所在直徑截面為中心，探頭半徑為半徑的區(qū)域內(nèi)所測得的直徑對應各直徑之差，mm(其中i、j∈n，j=0,1)。

當dn-i與dn+i的對應截面位置分別關于極值所在截面位置對稱時，則有

(3)

式中，Δi是指極值與各對稱截面直徑差值的平均值，mm(i∈n)。

若所選定區(qū)域內(nèi)無對稱截面的直徑量時，則無需進行式(3)運算。(所選直徑其截面位置需在極值截面位置為中心、探頭半徑為半徑的區(qū)域內(nèi)，其直徑個數(shù)不定。)

根據(jù)上文所提線性補償思想，并通過大量數(shù)據(jù)的實驗，得到了本文的數(shù)據(jù)補償(誤差修正值)的函數(shù)為

ei=∑KiΔi

(4)

式中，ei為對應極值的誤差修正值，mm；Ki為影響系數(shù)；(其中i∈n，且Ki≤1)。

從式(4)可知，影響系數(shù)大小決定了修正值的大小，同時該系數(shù)的確定決定了補償函數(shù)的可靠程度，故需從其相關因素和特性進行確定。

從上文知，離極值所處位置越近的直徑，對極值影響程度越大， 則K值越大；機筒直徑越大，被測面的曲率越小，測量誤差也越小，則修正值也越小，此時K值可取偏小。

綜上所述，并通過實驗驗證表明，Ki的取值為

(5)

式中，d為電渦流傳感器探頭直徑，mm；D為被測機筒受損前的理論直徑，mm；δi為影響系數(shù)因子(i∈n，δ1>δ2>δ3…>δi，且δi≤1)。

通過實驗，得到了較理想的δi值。本測試實驗中，取i=1,2,3。當機筒直徑非標定直徑時，取δ1=0.65,δ2=0.25,δ3=0.1；當機筒直徑為標定直徑時，取δ1=0.45,δ2=0.25,δ3=0.2。

當機筒無磨損時，同樣可以使用該測量儀對機筒內(nèi)徑進行測量，用于實現(xiàn)檢驗機筒的合格性。但此時，測量儀所測得數(shù)據(jù)對整機而言，具有相同的測量誤差，且誤差均為負值。據(jù)此，并結合電渦流傳感器原理，通過實驗不斷驗證與優(yōu)化，得到了對機筒的測量誤差補償函數(shù)

(6)

式中，e為無磨損機筒的測量誤差補償值，mm。

得到了補償函數(shù)后，根據(jù)式(7)對測量值進行誤差補償，得到最終的測量結果，提高了測量儀的測量可靠性。

[Di]=Di+ei(或e)

(7)

式中，[Di]為補償后的直徑測量值，mm；Di為補償前的直徑測量值，mm(i∈n)。

由上可知，本文所構建的修正函數(shù)，是以實時所得數(shù)據(jù)為依據(jù)，在線修正補償函數(shù)的權值大小，可以適應不同零件的測量，靈活性較強。

4　測量數(shù)據(jù)后處理的程序設計

4.1　測量數(shù)據(jù)后處理程序設計思想

針對各種測量情況——不同長度、不同直徑、不同材料、不同誤差情況和不同測量數(shù)據(jù)，均需有相應數(shù)據(jù)修正，才能充分提高測量儀的測量可靠度，降低測量誤差。

根據(jù)上文，確定了如圖4所示的數(shù)據(jù)后處理流程圖。圖中，Vi為電渦流傳感器所測得的電壓值，V；Si為Vi轉化為其對應的被測位移量，mm；Xi為被測機筒截面位置，mm；變量l、m、n、i、r、t∈n。

圖4　測量數(shù)據(jù)后處理程序設計流程圖

4.2　測量數(shù)據(jù)后處理程序的編寫

為了實現(xiàn)4.1中的程序設計思想和要求，本文采用LabVIEW軟件和C語言，利用條件循環(huán)順序結構完成了程序編寫。運用LabVIEW軟件中的函數(shù)有：采用條件和for循環(huán)結構函數(shù)實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的截取、剔除與分離；采用比較和布爾函數(shù)判斷了符合一定條件的極值；使用數(shù)值函數(shù)完成了修正函數(shù)的建立；采用數(shù)組函數(shù)與波形顯示控件實現(xiàn)了測量結果的實時顯示；使用移位寄存器函數(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的暫存功能；采用局部變量、文件路徑、文件I/O、字符串、數(shù)組等函數(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保存；采用順序結構實現(xiàn)了各功能模塊之間的銜接。最后，在數(shù)據(jù)處理完畢后，采用C語言實現(xiàn)了暫緩內(nèi)存冗余數(shù)據(jù)的清除，為重復測量準備條件。

5　測量數(shù)據(jù)處理前后的對比

根據(jù)文中的數(shù)據(jù)后處理方法與原理，結合本文構建的補償函數(shù)，本文對實驗數(shù)據(jù)進行修正，其前后對比如表2所示。

表2　數(shù)據(jù)處理前后比較　單位：mm

由表2可知，最大值處即磨損最嚴重處的直徑量修正了0.50458mm，即偏差由0.77345mm降低為0.26887mm。

6　結論

數(shù)據(jù)后處理技術是提高測量儀測量準確度的必然措施，用于保證測量儀的實用性。通過本文所構建的數(shù)據(jù)補償函數(shù)與數(shù)據(jù)后處理技術，并結合相關實驗驗證表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)后處理的功能要求，對所測得的數(shù)據(jù)進行了相關的誤差補償，提高了測量儀的測量準確度，降低了測量偏差，給企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟效益。

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