精确检测（共7篇）
精确检测 篇1
轨道检测系统经过多年的开发和应用, 已经成为检查轨道病害、指导线路养护维修、保障行车安全的重要手段。列车正常运行时有加速、减速和恒速3个状态, 轨道检测系统必须能够剔除列车运行速度变化对测量结果的影响, 实现方式采用空间采样信号。目前, 高速轨道检测系统按0.25 m对传感器进行一次数据采集, 这样列车运行速度的变化不会对检测结果产生影响。适应高速轨道检测、实现等距离精确采样和控制是检测中的关键技术难点。
1 轨道检测系统距离采样原理
为实现等距离空间采样, 在列车轴头安装光电编码器, 通过其采集脉冲 (见图1) 。编码器转动一周输出固定的脉冲个数。通过速度与距离和脉冲的关系可测算光电编码器的脉冲数量, 并获得等距离值。若光电编码器转动一周输出脉冲数为M, 设车轮直径D (单位:m) , 则距离为L (单位:m) 等距离采样时需要计算的脉冲数δ为:
轨道检测系统中使用M=5000转光电编码器, 按照空间等距离L=0.25m采集一次数据, 无论列车以怎样的速度运行, 只要准确计量列车运行0.25m光电编码器产生的脉冲数δ, 然后对传感器进行一次数据采集, 经过合成计算即可得到采样位置的轨道几何参数。列车高速运行时, 脉冲数频率大大提高, 准确计算脉冲数、不产生丢失现象是重点研究的问题。
2 轨道检测脉冲计数方法
随着计算机的普及和应用, 由计算机及其外围接口插卡组成的应用系统广泛应用。检测列车速度和位置时采用光电码器与脉冲信号采集计数器卡相结合方式。在控制系统中, 一般将码盘信号经光电隔离后送入信号采集卡进行处理, 采集及处理的过程对系统具有重要影响。实时计算机系统中, 采用的计数器卡是一块通用的具有计数器/定时器和I/O功能的插卡, 可用于各种信号采集和数字输入输出口的控制系统。采用PCI总线的4轴正交解码器和计数器卡含有4个32-bit正交A、B相编码计数器, 带多范围时基选择器的8-bit定时器及4个隔离数字量输入和输出。
脉冲计数器卡每个通道都有一个增量编码器的解码电路, 输入类型是单端或差分。正交输入是有索引和无索引的线性或旋转编码器信号, 电编码器采用A相与B相相位差90°对脉冲计数 (见图2) 。
最大正交输入频率为2MHz, 计数器模式下的最大输入频率为8MHz, 可对每个计数器进行单独置成A/B正交信号模式、脉冲/方向信号模式或正/反脉冲信号模式。每个通道都可接收数字量输入, 并作为旋转编码器的索引信号输入或线性编码器的原点感应开关信号输入。在使用特定的数字量输入口、计数器正向溢出/反向溢出、高于/低于比较值或设定时间间隔产生中断时, 脉冲计数器卡可向计算机系统发出中断信号。在0.02~51s内, 计数器可对用户设定任何时间间隔连续产生中断。通过中断能够监测到检测系统的运行速度。
3 轨道检测同步采集控制
在高速轨道检测系统中, 列车上安装了很多传感器, 还有激光摄像图像处理系统, 数据同步采集是重点研究的问题。经过大量研究与实验, 以及多年的应用经验, 采用脉冲计数器卡, 其可提供4个数字量输出通道, 每个通道可接收平常TTL输出的数字量输出。当脉冲数记录到δ个时, 实时数据处理计算机向激光摄像计算机发出高电平信号, 接收信号后, 激光摄像计算机向数据处理计算机发送经过计算后的单边轨距数据, 以供实时数据处理计算机进行合成计算。同时, 数据处理计算机对在AD采集卡上获取的数据进行一次采集, 通过脉冲计数值达到δ个, 将采集的所有数据信息进行合成, 达到整个系统数据采集同步控制 (见图3) 。
在通常脉冲计数法中, 计数器在闸门时间内对信号脉冲进行计数。普通脉冲计数器只能输出整数脉冲, 测量出的脉冲信号频率存在较大的量化误差 (±1) 。降低脉冲计数量化误差的途径主要有测周期法、锁相环技术及脉冲零头计数技术等方法。测周期法和锁相环技术不能从根本上消除脉冲计数的±1误差;测出脉冲零头数Δnq, i和Δnq, i+1, 即可避免±1误差, 降低脉冲计数的量化误差。
通过高精度高频率的时钟信号, 测量脉冲零头所持续的时间δτ, 并与待测脉冲周期τx进行比对, 估算脉冲零头:
测量时间δτ为测量该段时间内时钟信号的脉冲个数。为满足实时性要求, 通过计数器脉冲和时钟信号控制累加器与寄存器以实现计数目的。用光电编码器脉冲的上升沿触发累加器A, 即在每个光电编码器脉冲A相与B相相差90°的情况下触发累加器加1, 用时钟信号的上升沿触发累加器B, 累加器A和B在计数满值 (溢出) 时自动清零, 重新开始计数, 如此循环不断。脉冲计数误差消除方法见图4, 图中第i个 (i=1、2…N, N为自然数) 闸门的累加器数值Ai、B1, i、B2, i、B3, i和第i+1个闸门的累加器数值Ai+1、B1, i+1、B2, i+1、B3, i+1为待测脉冲。测量脉冲零头持续时间δτ为测量该段时间内已知频率的时钟脉冲个数, 即该段时间起点和终点的累加器B计数值之差。测量待测脉冲周期τx为测量陀螺信号相邻2个脉冲之间的时钟脉冲个数, 即相邻2个陀螺脉冲处累加器B计数值之差。在第i个闸门的脉冲零头为:
第i+1个闸门的脉冲零头为:
第i到第i+1个闸门脉冲的计数值为:
在列车高速运行条件下, 采用脉冲数精准技术对光电编码器脉冲准确计数, 实现同步采样控制。
4 结束语
高速轨道检测系统精确控制技术是检测系统中的重要环节之一, 脉冲计数准确和同步控制方法需要不断改进和提升。采用脉冲计数误差消除方法可精确实时测量光电编码器输出的脉冲数, 并同步控制时钟信号, 稳定实现计数功能, 提高轨道检测系统性能。
参考文献
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精确检测 篇2
为了保证产品质量,保证计量器具的使用寿命和使用精确度,提高检测准确率,减少损耗，降低生产成本,特制定本管理制度。
2.适用范围
本制度适用于铝品部所有的计量器具。
3.内容
一.量具的购置
1.为了合理利用资源,降低生产成本,同时便于检测工作的正常开展,避免重复购置。
2.各部门计量器具的配置,均应符合本部门加工产品的检测范围的要求,合理利用资源,避免浪费。
3.各部门申购新的计量器具,必须由其部门主管在《申请购物单》上签字证明,报品质科科长确认。
4.各部门购置新的计量器具必须符合以下要求: 4.1 计量校验后,有报废的和长期封存停用的,而产品检测又必须所需要的;4.2 计量校验后有准用的,但不符合所加工产品检测要求,且为本部门无法在内部调配使用的;4.3 产品加工过程中,技术科工艺要求配置的检测用计量器具,而本部门又没有的;4.4 除上述情况外,因资源不够需另外添置计量器具的。
1.新购买的或由客户提供的检测设备,由品质科负责验收;验收的依据和内容如下:
a.外观、包装;b.设备技术资料、合格证书(校验证书);c.设备的说明书;d.包装(配件)清单。
e.需经现场调试的测量设备,则需对调试后的结果进行验收;2.以上验收依据和内容不适用于对通用计量器具的验收;3.对于验收合格的检测设备,由货仓点收入帐后转品质科发放;对于由客户提供的检测设备验收不合格的 ,由品质科通知客户处理;对于新购的检测设备验收不合格的,通知货仓,由其联
3.检测设备购买后如附有授权单位已检定合格的证明,则在有效期内可以不另行重新校准。
4.对于新购置的通用计量器具,其验收方法是,只对其进行入厂前的检定,并填写《检测设备校验报告》,经检定合格后才能下发使用;经检定不合格的,通知生产科货仓,由其联系相关部门办理退货。《检测设备校验报告》须保存。
三.计量器具的领用及发放 3.1 计量器具必须经过入厂检定合格或验收合格,且在《检测设备管理台帐》上登记建帐后才能予以领用。
3.2 各部门如果需领用新的计量器具(包括自己申购的),则需具体领用人持由本部门主管签字证明的《领料单》到品质科签名领用,品质科将及时建帐管理。
3.3 各部门员工离职前除须向货仓交回使用工具外,还需向品质科另外单独交回使用量具以鉴定其完好性和核销台帐并存库保养;品质科将在行政科提供给生产科货仓和品质科的该离职
员工单上签字证明其量具使用情况;部门如果有新员工需重新领用该批量具,则到品质科重新签字再领用。
3.4 行政科在见到品质科关于该离职员工是否领(借)用量具及是否交回且完好和生产科货仓关于工具已归还的回复后才提交财务科办理该离职员工离厂手续。
3.5 计量器具保管发放人员须做到及时清理保养库存量具,如期向部门主管汇报量具使用动态,便于量具的调控使用,降低成本,提高产品质量。
四.计量器具的使用、维护
1.计量器具必须使用经计量检定或校准合格的计量器具,不合格的计量器具,限定使用,需限定使用时,须由计量人员填写《检测设备准用报告书》,并报部门主管批准,才能在线使用。
2.使用前须熟悉使用方法,在使用时使量具处于良好的工作状态,并能及时准确排除故障。
3.使用者必须按照正确的使用方法来操作。4.使用时,不能超出其测量范围。
5.使用人在使用过程中,发现偏离校准状态或出现异常情况时,应立即停止使用,并通知相关人员,相关部门应评定测试结果的有效性并作出记录,对影响检测结果的要追回已测产品进行重新检测。
6.使用时须做到“三轻”、“三不”、“一净”、“一好”,即轻拿、轻放、轻用;不摔、不磕、不碰;擦干净;摆放好。7.使用时,量具放置的地方须得当。8.严禁非授权人员擅自修理和调整量具。
9.量具使用完后,必须擦拭干净,放入盒内或摆放好,对较长时间不使用的应涂上防锈油。
五.计量器具的校验
3.品质科计量校验人员必须依照校验计划按期如实地开展量具校验工作,并做好校验记录, 各部门应积极配合品质科开展量具校验工作。
4.所有经过计量校验的计量器具必须贴上有效标识“合格证”、“准用证”、“停用证”, 检测设备的校准标识须由专职人员统一管理,任何人不得撕毁拆下校准标识。5.所有未经编号建帐和张贴合格证或准用证的计量器具一律不得使用。
6.计量人员对所有自行校准、比对、调整的计量器具,须严格执行量具校验规程对其进行定期校准,其他使用部门和使用人严禁擅自修理和调整。
7.品质科计量人员对自行校验用作标准的计量器具或自行无法检定的计量器具须一律定期送到法定专业计量检定机构进行检定(校准),并及时领回经检定(校准)合格的计量器具及检定(校准)报告,归挡保存。
8.凡是由客户提供的检测量具,相关人员应及时对其跟踪管理,如果发现其已损坏或处于可疑的失准状态时,应立即报告主管领导,由其通知客户,由客户作出处理。9.当被校验的计量器具因被修理或调整而使其校准失效时,应立即对此计量器具进行停用或报相关负责人同意申请报废,杜绝下线使用。六.计量器具的修理、报废
1.当发现计量器具失准、有故障或损坏时,应立即停用并通知品质科计量人员。2.品质科计量人员对失准状态进行分析并将结果报告部门主管,由其决定是否对已影响检测结果的产品追回进行重新检测。
3.品质科对已失准的计量器具进行或维修,或停用;对需要送外修理的计量器具,由品质科负责组织将待修器具送外修理;对由厂内可自修的计量器具,由品质科安排自行修理,凡维修的
外校量具维修后一律再送外重新校验,自校量具则维修后由工厂内重新自行校验。凡维修过的计量器具须经校验合格后方可投放使用。以上保留维修和校验记录。4.失准计量器具如无维修价值或当维修后仍不能达到使用要求时,由部门主管申请,品质科专职人员填写《量具报废单》,报品质科科长批准报废。特殊测量设备报厂长同意。
5.对于人为损坏等非正常磨损而导致计量器具报废的,应上报部门主管对其责任人给予相应的处罚。
七.计量器具的赔偿
1.各部门量具使用保管者均应爱惜公司财产,爱护自己手中的量具,做到合理维护保养,正确使用保管。
2.各部门对本部门量具使用及配置情况均应帐目清楚,合理利用。
3.对于所有已登记在册用的量具,如有遗失或损坏的,将给予相关责任人相应的处罚,处罚办法如下: 3.1 领用时间为三个月以内(含三个月)遗失或损坏的,则按此量具采购价格的100%比例赔偿;3.2 领用时间为六个月以内(含六个月)遗失或损坏的,则按此量具采购价格的75%比例赔偿;3.3 领用时间为六个月以上,遗失或损坏的,则按此量具采购价格的50%比例赔偿。4.对于上述遗失或损坏的量具,各部门应及时报品质科备案,以核实注销台帐;如需要重新购置,则按新量具申购程序执行。
4.相关文件和记录 《申请购物单》 《领料单》
QR-P-013 3 《检测设备管理台帐及校验计划》
QR-QA-014 4 《检测设备校验报告》
QR-QA-024 5 《量具报废单》
精确检测 篇3
关键词：粮油检测 精确度 对策 方法 技术
中图分类号：R197.32文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2014）14-0018-02
1 引言
粮油检测具有较强的科学性和技术性，而且准确性要求较高。粮油检测具有明显的法定性质，因此对于准确性的要求较高。同时，检测人员必须具备较好的工作素质以及较强的责任心。因为一旦检测结果不准确，就必然会导致消费者的利益受到损害，同时使得企业的信誉逐渐下滑。因此，在本文中，笔者就如何保证粮油检测结果的准确性做了探讨，并且与自身经验相结合，力争提出改进方法。
2 粮油检测的方法
2.1 样品选择
样品是指从一批粮油中，根据一定的方法选取出一定量的样品，并要求这些样品能够具有明显的代表性，能够代表整体质量。如果把所取出来的样品进行混合，然后平均地分出一部分样品用作全面分析，这就是平均样品。如果把平均样品再进行混合或者是分样，然后从中取出一部分用作检验，这就是试样。通过对试样进行研究所得到的结果必须具有代表性，能够反映整批粮油的真实情况，也就是说试样是平均成分的客观反映。可见，做好试样的扦样、分样以及制备工作具有十分重要的意义。如果进行散装粮扦样，必须遵循如下原则：分区设点，分层扦样；运用“四分法”来分配成品粮。为了能够得到准确性较高的结果，不仅要一切按照国家标准来进行操作，而且要事先做好试样准备工作。例如，在进行水分测定时，要先把杂质去掉，然后再磨碎。
2.2 检验方法
在粮油国家标准中，对于同一品种可以通过如下方法进行质量检验。从理论角度来看，只要是在同样的条件下进行测定，通过这些方法所得到的结果应该是基本上一致的，但实际上却或多或少地存在差别。例如：对于粮食或者是油料进行水分测定，可以采用130℃定温定时烘干法以及双烘法，而前一种方法是用于生产检验的常用方法。这种方法具有如下特点：检测速度快、所需时间短，但准确度较低。对于那些高水分粮，就可以运用双烘法进行检测。因此，对于检验人员来说，必须要在充分理解标准的基础上进行操作。首先要掌握检验项目的性质，然后结合自身的业务水平，运用化验室已有的设备条件，通过采用合适的方法来满足检测要求，这样才能够获得理想的准确度。
2.3 误差减少
在进行粮油检测的过程中，由于受到外界环境的影响，例如检验方法不同、仪器设备不同、检验人员的素质存在差别、检测环境存在差异等，都会使得检测结果之间存在差异，这是再娴熟的检验员、再理想的检测方法、再准确的仪器都无法避免的。可见，只有通过某些方法来减小测定误差才能够确保结果的准确性。针对误差产生的原因来看，误差包括系统误差、偶然误差以及过失误差，只有减小这些误差，才有可能提高检测的准确性。通过仔细操作，使用尽可能精密的仪器以及尽可能科学的方法来进行检测，可以减小偶然误差。如果消除了系统误差，测定次数越多，得到的平均值就越可靠，越接近真实值。可见，通过多次测定计算平均值，可以减小偶然误差。在进行粮油检测时，一般采用双实验来检测同一个項目，然后将得到的平均值作为最终的结果。
3 粮油检测技术升级
3.1 原子吸收光谱法检测技术
在用于粮油检测的众多方法中，原子吸收法是最常用的一种。原子吸收法在分析食品中的重金属方面，具有明显的优势，表现出较高的灵敏度。原子吸收法是指通过气态被测元素中的基态原子吸收特殊谱线，来实现对于被测元素进行测定的方法。
如下可以用石墨炉原子吸收光谱法来检测大米中的镉为例来进行说明。
（1）干灰化法：先称1.00～5.00g样品并放置于瓷坩埚中，然后采用小火进行炭化，直到无烟为止，再移动到马弗炉中进行灰化，最后冷却。如果某些样品没有彻底被灰化，可以加入1ml混合酸并且进行加热，直到灰发完全为止。用硝酸通过少量多次的方式把灰分溶解，并且过滤放在容量瓶中，备用作试剂空白液。
（2）准确称取0.3000～0.5000g样品并放置于微波消化罐中，然后加上4mL1.0M的硝酸并盖好盖子，放入微波消化罐中通过事先设定的程序进行消解。如果消解完毕，就可以把消解液取出并置于比色管中，通过少量多次的方式来清洗消解罐直到洗液达到刻度处，用作试剂空白液。
3.2 电子舌技术
在进行粮油检测时，电子舌主要是对粮油中具有氧化还原活性的部分物质加以利用。这些物质的感官刺激十分明显，而且抗氧化性比较突出。因此，通过利用电化学传感器阵列就可以对粮油的质量进行评估分析。目前，电子舌已经趋于成熟，可以很好地区分粮油品质的好坏。对于电子舌装置而言，只需要把粮油涂到碳层电极中，然后通过在不同的溶液中进行电解，将所得到的电信号收集起来。最后，把样本粮油的成分输入装置中，便可以通过得到的不同信号来分析不同类型的粮油，实现对于粮油的检测与评价。
3.3 电子鼻技术
电子鼻的工作原理与电子舌是十分相似的，主要是用传感器阵列来模拟动物感官，进而实现对于特定物品进行检测的电子装置。
在粮油检测中，电子鼻具有十分重要的作用。第一，可以用于谷物霉变进行判断。第二，可以用于谷物虫害的判断。第三，可以对谷物品质进行判断。第四，可以对谷物年限进行判断。通过运用电子鼻技术可以准确评价粮油品质。此外，电子鼻还具有气味区分技术，可以发现粮油中的酸败或者是异味，为粮油检测提供信息。
4 结语
粮油品质的检测与评价是比较复杂的，需要以一定可观指标为依据的基础上实施评价。在粮油检测方法中，样品选择环节上要更缜密，保证程序正确；在检验方法上根据粮油类型的不同选择合适的方法，同时对数据误差控制要更为严格。同时检测方法中原子吸收光谱技术、电子舌技术以及电子鼻技术这些新技术的应用，使得检测结果准确性高、可信度强，使粮油检测结果的精确度得到实质性的提升。
参考文献
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精确检测 篇4
国内外常用的路面构造深度检测方法主要有铺沙法、排水测定法, 数字图像法和激光断面检测法［2，3］。以上所述的每种方法都有各自的优缺点。铺沙法是将已知体积的标准砂摊铺在测试路面上, 用底部粘有橡胶片的推平板尽量将砂推平成一圆形, 砂的体积与所摊铺圆平均面积之比即为路面的构造深度。该方法由英国道路研究所设计, 其特点是操作方便, 但长时间检测操作者劳动强度大, 安全性差, 也不宜在潮湿天气时测试。排水测定法是通过监测固定体积的水通过路面排除的时间来间接地反映路面的宏观构造, 该方法由法国设计, 由于其测量操作复杂, 目前应用不多。数字图像法是通过对拍摄的路面纹理图片进行数字分析, 按照图片的灰度等信息计算路面的构造深度, 该方法最大的特点是操作简单, 但是测量的重复性不强, 和铺沙法的相关性不强, 目前还没有在实际工程测试中使用［4］。
激光断面检测法是通过安装在检测车 ( 搭载平台) 上的激光位移传感器高速测量路面的构造深度。该方法的特点是, 测量速度快, 同段道路测试结果与铺沙法结果的相关性和重复性较好。存在的不足是由于道路趋势的不同, 检测结果差异较大, 不能建立各种不同路段下统一的与铺沙法的相关关系。原因是采集路面高程的激光位移传感器安装在检测车上, 在采集过程中由于检测车本身振动, 以及路面趋势的影响, 所采集的高程信息中不仅包括路面的纹理信息, 也包括路面的趋势信息。但路面构造深度只和路面的纹理信息相关, 只有获得精确的路面纹理才能计算精确的路面构造深度指标。所以如何获取路面的真实纹理信息就成为了断面检测法的难点。
本文主要研究路面构造深度的精确检测原理, 开发能用于工程实践的高速、高精确路面构造深度检测系统。
1 检测原理
因为我国公路路面构造深度以铺砂法为标准测试方法, 所以, 所有方法检测得到的路面构造深度结果都必须转化为路面铺砂法检测的构造深度后才可以判断路面抗滑性能是否满足要求。路面构造深度的评价指标为平均构造深度 ( MTD) 。
1. 1 传统检测原理
利用激光断面仪检测路面构造深度的原理是由安装在检测车上的激光传感器向路面发射线激光束, 根据接收的反射光线来获取连续的路面断面轮廓曲线; 再将路面断面曲线均分为100 mm长的片段曲线, 计算每个片段曲线的平均片段深度 ( MSD) , 将所有片段曲线的MSD的均值作为路面的平均断面深度MPD, 再通过相关方程把MPD转化为MTD［5，6］。每个片段曲线的MSD的计算原理如图1 所示, 计算方法如下:
首先计算曲线上所有点的高程值的均值ave ;其次将片段曲线均匀分成两段, 分别求取每段曲线最高点的高程值max1和max2, 再分别计算两个最高点的高程值与片段曲线整体高度平均值的差值。这两段差值的算术平均值即为该片段曲线的平均片段深度MSD。
1. 2 改进的构造深度检测原理
以上是以检测车的横断面为计算单位, 由于线激光的检测成本较高, 检测系统结构复杂, 并且横断面中必然加进去了路面横坡等趋势, 采用该方法测量的路面MPD必须通过相关才可以得到MTD, 不能直接获得路面的MTD。
针对目前检测方法的不足, 本文提出了一种改进的路面构造深度检测方法, 该方法检测结果不需要相关, 能直接获得路面的MTD。具体方法如下:
检测车的左右轮迹带附近各安装一个激光位移传感器, 在检测车高速行驶的过程中高密度采集路面的纵向高程变化, 以此进行路面构造深度的计算。文献指出路面宏观构造的波长范围为0. 5 ~ 50 mm, 波幅大于0. 1 mm且小于200 mm［7，8］。考虑到检测精确和系统的幅值性, 本文所设计的路面构造深度检测系统的纵向采样间隔为0. 2 mm, 在检测过程中由于检测车的振动或路面中大波长的激励使检测的路面曲线中必然会加进去一个趋势, 这个趋势由路面和检测车振动复合而成, 是一个复杂的曲线, 如果采用传统的计算方法, 检测结果必然是不可靠的。因此要得到路面构造深度的准确检测结果, 难点是如何从检测曲线中去掉这个复杂的趋势项。
传统的最小二乘去趋势是在给定的采样长度内, 利用最小二乘法对采样数据进行直线拟合, 假设计算长度内的曲线的采样点数为N, 数据序列为x = { x ( 1) , x ( 2) , …, x ( N) } , 将数据分成长度为n个采样点的相同的m段, 则第m段内的数据序列为xm= { x ( m* n + 1) , x ( m* n + 2) , …x ( m* n + n) } , 第m段内的最小二乘法一次方程为:
其中i = {m* n + 1, m* n + 2, . . . m* n + n} , 按照式 ( 2) 和式 ( 3) 所获得的趋势线是折线, 而且在每段的分界处是间断的, 为了获得合理的曲线趋势项, 本文提出了一种改进型的最小二乘法去趋势项法, 具体方法如下:
在评定的片段曲线长度内 ( 100 mm) , 共有N个数据点, 将任意连续长度为n的数据分段作为分析基准段, 设从第k个数据点开始取样, k = 1, 2, …, N - n + 1 , 从第k点开始采用最小二乘法求得的直线为;
式 ( 4) 中i = {k, k + 1, …, k + n - 1} , 这样在整个分析片段内能够获得N - n + 1 条最小二乘直线。这些直线随着k值逐渐增加, 并且沿着整个片段曲线的轮廓滑动。对第k个数据, 可以获得T ( k) 条曲线用来描绘该段的趋势位置, 采用这k条拟合直线在该点的平均值作为该位置的趋势位置。第k个数据点处的曲线趋势项位置可以表示为:
式 ( 5) 中
将按照式 ( 5) 计算获得的趋势项曲线作为基准线, 该基准值为光滑曲线, 它能够较精确地反应路面趋势的连续变化, 没有间断点; 将分析片段内的数据去除趋势向后, 将获得的曲线按照式 ( 1) 介绍的方法计算路面的构造深度。
图2 和图3 是传统最小二乘法去趋势和本文提出的改进后的最小二乘法去趋势的对比。图2 和图3 中给出了100 mm的路面纵断面采样段来说明算法的对比, 图2 中10 段直线是分段最小二乘法获得的趋势线。图3 中段光滑曲线是利用改进后的最小二乘计算获得的路面趋势线。从对比可以看出, 改进的最小二乘去趋势法更能获取路面的趋势。
2 系统结构及软件设计
检测系统的组成结构如图4 所示。系统的硬件系统包括激光位移传感器、距离传感器 ( 编码器) 、数据采集卡、计算机和电源等。软件以windows系统为软件运行平台, 选择Microsoft公司的SQL Serv-er 2000 作为数据库管理系统对检测结果进行管理和维护, 以Visual Studio 2010. NET为开发环境, 采用面向对象程序设计语言C++进行开发。系统软件采用包括用户客户端、应用服务器和数据库服务器三层分布式结构, 其中用户客户端提供用户操作界面, 应用服务器封装了路面构造深度检测的业务逻辑规则, 数据库服务器保存构造深度的检测结果。
系统利用距离传感器 ( 编码器) 提供触发信号, 使安装在检测车左右轮迹处的两个激光位移传感器进行同步采样。编码器安装在检测车的车轮上, 当检测车在被检测路面上行驶时, 随着车轮的转动, 编码器会输出一个频率随车速变化的方波信号, 该信号为两路激光位移传感器提供采集触发信号, 系统采用CPLD实现激光位移传感器的驱动以及逻辑运算。
3 现场试验
3. 1 标定试验
为了验证系统的精度, 采用标准的高度量块对该检测系统进行了标定, 具体方法为在实际道路路面上每隔10 m放置一个高度已知的标准量块, 放置的顺序如表1 所示, 然后利用检测系统检测质量块高度, 检测结果以及检测误差见表1。
3. 2 对比试验
由于实际量块和路面宏观构造有一定的差异, 而实际的路面构造深度通常用铺沙法检验, 所以进行检测系统与铺沙法的对比试验。具体方法为: 选择构造深度不同的5 段典型路面, 每段100 m。对每段路分别进行3 次检测, 表2 中的检测值为该100 m内的平均值。
由表1 可知本文所采用的检测系统有很好的检测精度, 最大检测误差为0. 019 mm。
将检测系统和铺沙法检测结果建立相关如图5所示。
从图5 可以看出, 本文所提出的路面构造深度检测方法和铺沙法结果有很高的相关性。由于去除了路面趋势项, 所以检测的构造深度不需要进行相关处理, 可以直接使用。利用本文方法开发的路面构造深度激光检测系统先后进行了安阳—鹤壁、武威—古浪、三门峡—观音堂等高速公路路段的检测。通过开发的检测系统检测结果和铺砂法检测结果比较。路面构造深度检测系统的最大检测误差小于2% 。
4 结语
针对现有路面构造深度检测方法落后, 检测难点大, 检测成本高, 检测精度低的缺点, 提出了一种新的路面构造深度检测方法, 具体方法是利用激光位移传感器高密度检测路面高程信息, 然后采用本文提出的改进最小二乘法去除路面高程信息中的路面趋势, 获得准确的路面纹理信息。最后利用路面的纹理信息计算路面构造深度。按照提出的检测方法开发了检测系统和检测软件, 实现了路面构造深度的精确、快速检测。通过标定实验和现场对比试验证明, 采用该路面构造深度自动检测系统可实现各种车速下的连续检测, 并且检测结果与铺沙法相关性很高, 检测结果可以直接使用。
参考文献
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精确检测 篇5
关键词：回弹法,混凝土抗压强度,检测
回弹法检测混凝土抗压强度在我国使用已达四十余年, 因其简便、灵活、准确、可靠、快速、经济等特点而倍受工程检测人员的青睐, 是我国目前工程检测中应用最为广泛的检测仪器之一。当对工程结构质量有怀疑时, 均可运用回弹法进行检测。但回弹法在使用过程中还是出现了较多的操作不规范、随意性较大、计算方法不当等问题, 造成了较大的测试误差。如何保证检测精度, 使其在监督检验结构工程和混凝土质量中发挥应有的作用, 已成为众多工程建设者所关注的话题。要提高回弹法的检测精度, 应综合考虑以下几个方面因素。
1 注意回弹法检测的使用条件
回弹法是通过回弹仪检测混凝土表面硬度从而推算出混凝土强度的方法。当出现标准养护试件数量不足或未按规定制作试件, 对构件的混凝土强度有怀疑, 或对试件的检验结果有怀疑时, 可按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》进行检测。必须注意回弹法的使用前提是要求被检测混凝土的内外质量基本一致, 当混凝土表层与内部质量有明显差异, 如遭受化学腐蚀、火灾、冻伤或内部存在缺陷时, 不能直接采用回弹法检测混凝土强度。
2 测试前必须进行回弹仪的率定试验
回弹仪的质量及测试性能直接影响混凝土强度推定的准确性, 只有性能良好的回弹仪才能保证测试结果的可靠性。回弹仪的标准状态应是在洛氏HRC为60±2的标准钢砧上, 垂直向下弹击三次, 其平均率定值应为80±2, 否则回弹仪必须进行调整或校验。在单个构件检测中, 一般只需测试前进行率定即可, 但在大批量检测时, 由于受现场灰粉及回弹仪自身稳定性等因素的影响, 随着工作的延长, 回弹仪的工作状态逐渐低于标准状态。有时一个批量检测项目检测前后回弹仪率定值的差异较大, 从而导致测试结果偏低。因此, 在大批量检测时, 应随身携带标准钢砧, 以便随时进行率定检测, 适时更换, 从而保证检测结果的精确性。
3 测区选择要正确
检测构件布置测区时, 相邻两测区的间距应控制在2m以内, 测区离构件端部或施工缝边缘的距离不宜大于0.5m且不宜小于0.2m;测区应选在使回弹仪处于水平方向检测混凝土浇筑面, 并选在对称的两个可测面上, 如不能满足这一要求时, 也可选在一个可测面上, 但一定要分布均匀, 在构件的重要部位及薄弱部位必须布置测区, 并应避开预埋件。当遇到薄壁小构件时, 则不宜布置测区, 因为薄壁构件在弹击时产生的振动, 会造成回弹能量的损失, 使检测结果偏低。如果必须检测, 则应加以可靠支撑使之有足够的约束力时方可检测。
4 测试动作要规范, 切忌随意操作
回弹法本身是一种科学的操作方法, 国家也专门制定了相应的规程, 不容许操作人员随意操作。回弹的精度也取决于操作人员用力是否合适和均匀, 是否垂直于结构或构件的表面, 是否规范操作。但实际检测中却很少有人严格按照标准规定的技术要求进行检测操作, 责任心不强, 敷衍了事, 这样的检测将带来较大的测试误差, 无法保证回弹质量。为此, 应加强检测人员的职业道德素养, 提高检测责任心, 才能真正提高回弹法的检测精度。
5 消除测试面因素的影响
《规程》规定:用于回弹检测的混凝土构件, 表面应清洁、平整, 不应有疏松层、浮浆、油垢、蜂窝、麻面。在测试面达到清洁、平整的前提下, 还需要注意混凝土表面是否干燥, 混凝土在水泡之后会导致其表面硬度降低。因此, 混凝土表面的湿度对回弹法检测影响较大, 对于潮湿或浸水的混凝土, 须待其表面干燥后再进行测试, 建议采用自然干燥的方式。禁止采用热火、电源强制干燥, 以防混凝土表层被灼伤, 影响检测精度。
6 注意碳化深度的测试取值
碳化深度值的测量准确与否与回弹值一样, 直接影响推定混凝土强度的精度。在碳化深度的测试中, 注意其深度值应为垂直距离, 而非孔洞中呈现的非垂直距离。孔洞内的粉末和碎屑一定要清除干净之后再测量, 否则将难以区分已碳化和未碳化的界限, 造成较大的测试误差。测量碳化深度值时最好用专用测量仪器, 不能采用目测方法。还有一种情况应特别注意, 在检测已用粉刷砂浆覆盖的构件碳化深度时, 由于测试面收水泥砂浆的充填渗透影响, 其表层含碱量较高, 而用于碳化测试的酚酞酒精溶液遇碱则变红, 极易使人产生视觉误差, 认为其碳化深度值很小。如果认真观察测试孔, 可发现外表层颜色较深, 而孔内混凝土所变的颜色较浅, 颜色较浅部分的厚度即为混凝土实际的碳化深度。这一点细微的误差, 检测人员一定要注意区分。
7 注意混凝土回弹值的修正
近年来, 随着城市泵送混凝土使用的普及, 采用回弹法按测区混凝土强度换算值推定的测区混凝土温度值将明显低于其实际强度值。这是因为泵送混凝土流动性大, 粗骨料粒径较小, 砂率增加, 混凝土的砂浆包裹层偏厚, 表面硬度较低所致。因此在运用回弹法检测混凝土强度时, 必须要事先了解施工单位浇注混凝土的方式, 并注意修正。另外, 当检测时回弹仪为非水平方向且测试面时, 一定要对先按非水平状态检测时的回弹值进行修正, 然后再按角度修正后的回弹值进行不同浇筑面的回弹值休整, 这种先后修正的顺序不能颠倒, 更不能用分别修正后的值直接与原始值相加或相减, 否则将造成计算错误, 影响对混凝土强度的推定。
8 建立本地区的专用测强曲线
国家标准虽给出了全国通用回弹法检测的测强曲线并由此得到测定混凝土强度值换算表, 但全国统一曲线仅综合考虑到全国各地的原材料使用情况, 没有把碎、卵石普通混凝土区分开来, 而实际上回弹法检测碎、卵石普通混凝土强度是有很大差异的。而地区测强曲线正是充分考虑本地区的混凝土原材料、气候条件和成型养护工艺, 通过实验、校核、休整所建立的曲线, 与通用测强曲线相比较, 该曲线比通用测强曲线更接近实际数据, 能更好地推算本地区混凝土的实际强度。因此, 建立本地区的专用测强曲线, 能有效地提高回弹法的检测精度。
精确检测 篇6
局部放电是高压电力设备绝缘劣化的主要原因之一,局部放电检测,可以在早期发现设备绝缘隐患,为设备检修提供支持。目前电力设备局部放电带电检测中常用的检测方法包括特高频法和超声检测法。基于上述两种方法研制的局部放电带电检测装置,主要为面向单一电力设备的手持式或便携式检测装置,如变压器、GIS等。对于一些大规模室外变电站,利用上述装置对站内所有高压设备逐一检测,工作量大,效率低。如果对站内所有高压设备都安装局部放电监测装置,成本高,而且对这些在线监测装置本身的维护工作量大。从变电站局部放电带电检测工程实践的需求出发,有必要研究与开发一种针对变电站全站所有电力设备的局部放电快速检测的方法与系统。
近年来,英国Strathclyde大学、上海交通大学、重庆大学等研究机构对基于特高频传感器阵列的变电站局部放电定位方法进行了深入的研究和实践。其基本原理是TDOA时差定位算法[1],即通过同步采集多个传感器所接收的特高频局部放电脉冲信号,计算信号间的时延,基于已知各传感器的位置坐标和上述时延,对局部放电源进行三维或二维的定位。研究表明[2,3,4,5,6],TDOA算法定位精度,取决于其传感器阵列间时延求取的精度。时延误差0.2 ns时,定位距离误差可达10 m。文献[3]的定位误差在厘米级,要求系统采样率高达25 GSa/s。此外,时延误差对方向角定位影响甚小,时延误差0.2 ns时,角度误差仅为0.1°[2,7]。
本文对时差定位算法中定位角度准确性进行了理论分析,并根据研究结果提出了一种先巡检进行区域定位,后精确定位与绝缘诊断的检测方案,研制出一套相应的车载检测与定位系统。该系统和检测方案已在国内多个变电站得到应用,现场测试结果证实系统是可行有效的,其可快速检测定位出敞开式变电站内的外绝缘放电以及离非屏蔽绝缘较近的设备内部放电。但是对于信号较小的电气设备内部放电,由于传感器的灵敏度(-65 d Bm)和巡检时天线阵列离放电源的距离限制,一般不能被系统检测与定位。
1 定位算法
1.1 基于四元矩形阵列TDOA定位数学模型
本文区域检测TDOA定位算法采用文献[8]所述定位模型,传感器阵列Si(i=1、2、3、4),如图1所示呈平面矩形布置。矩形中心设为坐标原点。令S1,S2之间的距离为2r1,S2,S3之间的距离为2r2。则传感器阵列中四个传感器的坐标可表示为:S1(r1,r2,0)、S2(-r1,r2,0)、S3(-r1,-r2,0)、S4(r1,-r2,0)。
假设局部放电源P位于(x,y,z),放电所激发的UHF电磁波信号传至传感器i的传播时间W为ti(i=1、2、3、4)。S2,S3,S4接收到同源局放UHF信号的时刻相对于传感器S1滞后的时间为t21=t2-t1,t31=t3-t1,t41=t4-t1,令局部放电特高频信号在空气中以恒定速度光速c传播,则由局部放电源P到各传感器的距离关系,可建立三维球面定位模型[8]。
由式(1)可求解出局部放电源三维和二维定位结果的解析解,变电站现场检测时,二维方向角和径向距离往往更加直观,可以确定局部放电源的方向,便于检测人员找到疑似放电设备,本文采用式(2)所示二位方向角和径向距离定位模型[8]:
式中θ表示局放源在水平面内的方向角,r为局放源到1号传感器的距离。
1.2 基于移动天线阵的区域定位算法
本文研制的车载巡检定位系统,系统采样率为2 GSa/s,采用1.1节所述算法模型,方向角定位精度可控制在±5°以内。因此,系统通过一次检测结果,可定位得到一个弧度为10°的扇形区域,改变车载天线阵的位置,可得到另一个扇形区域。两扇形区域重叠部分,即为初定位结果,算法示意图如图2所示。
1.3 平分面与平面时差精确定位算法
车载巡检区域定位后,一般可以确定疑似放电设备,采用多传感器联合检测原理[9],可进行精确定位。
对于外绝缘面积较小的疑似放电设备,如GIS某个或某几个气室,可采取基于多传感器接收信号时延的平分面定位算法,其基本思路为:在疑似放电设备外绝缘UHF信号非屏蔽区域固定一参考UHF传感器;在外绝缘左边沿固定另一传感器S1,可为UHF传感器,在能接收到超声信号的情况下可用超声传感器;在外绝缘右边沿放置一个与S1相同的另一传感器S2;以参考传感器为触发源,同时采集3路信号;从右往左移动S2,寻找S1,S2通道波形与参考传感器接收信号波形时延一致点,局放源就在S1S2直线的垂直平分面上;在垂直平分面再次固定参考传感器,以同样的方法可以找到关于上下边沿的另一个垂直平分面;局放源就在两垂直平分面的交线上。
对于外绝缘不规则,不易寻找平分面的疑似放电设备,如大型主变等,可采取简易的平面时差法,逐步缩小放电区域,其基本思路为:采用两个传感器S1、S2,S1固定不动,移动S2,观察两路波形时延;利用时延与信号传播速度,可确定出以S1为中心的球面,进一步在球面上寻找局部放电源。
2 方向角准确度理论分析
如1.1节所述,定位模型,式(1)方程组中第2式与第1式相减可求得x,第3式与第2式相减可求得y,结果可得式(3):
方程组(2)中第1、3式相加的结果与第2、4式相加的结果相等可得式(4):
将式(4)变形得到:
将式(3)中两式相除,并应用上式(5),并用1.1节中提到的滞后时间t41=t4-t1,t21=t2-t1带入式中,便可得到方向角达式(6):
观察式(6)角度表达式,当t41、t21基数较大时(相对于时延误差),即不在x、y轴时,一定时延误差范围内,t41/t21变化会非常小。而阵列大小决定t41、t21数值上不会超过2r2/c、2r1/c,(c为局部放电特高频信号传播速度),t1表征了局部放电源的距离信息,显然,局放源距离是远大于传感器阵列尺寸2r1、2r2的,所以t1数值远大于t41、t21,导致(t21+2t1)/(t41+2t1)永远是一个与1非常靠近的数,无论t1变得多大,它只会变得与1更靠近。综合上述2点,可说明当局放源不在x、y轴附近时(此条件可以通过移动小车位置给予保证),时延误差对tanθ的影响较小,定位结果方向角θ的可信度高。而表达式(2)中随时延变化,距离r并不稳定,这也是本文区域定位算法中,采用两次计算局放源相对于移动传感器阵列的方向角,并标记其交叉区域从而定位局放源的主要原因。
3 仿真算例
车载天线阵列尺寸r1=1.5m,r2=0.85 m,系统时延算法误差水平为±1 ns,各时延误差利用随机函数取值。仿真示意图如图3所示,图中设定局放源PD在位置1时,相对于传感器阵列坐标为(8,10,6),小车沿Y轴向前移动15 m到达位置2。两次检测利用有误差的时延仿真值和关系式(1)计算方向角,结果分别为47.89°和-29.58°;根据上述方向角求出±5°扇形区域分别为L1OL2和L3O'L4;两扇形区域相交得到区域检测定位结果,即交点ABCD围成的四边形。交点坐标:A(9.27,8.61),B(10.82,10.05),C(8.43,11.14),D(7.46,9.86)。仿真所用数据和结果如表1所示。
精确定位算法主要是人工寻找波形时延一致点,此处不再仿真。上述区域定位算法仿真结果不难看出,在现场检测时,该四边形区域基本可以确定疑似放电设备,四边形4顶点坐标平均值(8.995,9.915)跟真实值二维坐标已相当接近。
4 系统应用
现场检测时,首先沿变电站巡视线路不高于5 km/h的速度巡检一次,对全站高压设备进行局部放电检测与初定位。发现疑似信号后在疑似放电位置附近,前后移动小车按照前文所述区域定位方法,确认疑似放电区域。最后在疑似放电区域,用二分平面法逐步缩小范围,直至找到放电源。
本文阐述的变电站局部放电全站检测方案及相应的检测系统,在中国各地多个变电站进行了现场测试,并在广东某500 k V敞开式变电站检测出放电缺陷。在该变电站巡检时,发现疑似局放信号。通过前后移动小车,改变特高频传感器阵列的位置,初步定位疑似放电区域为2#主变所在区域,如图4所示。利用多个特高频传感器近距离移动位置并比较时差对其进行精确定位,确认放电点位于B相套管处。后来经停电检修确认为B相套管末屏接地接触不良,产生了悬浮电位放电,放电处放电痕迹明显。
5 结束语
(1)针对室外变电站全站带电局部放电检测,提出了一种先基于车载特高频阵列巡检进行区域定位,发现疑似放电区域后,基于多个传感器间的时差,利用二分平面法或声电联合法精确定位的检测方案。相比传统局部放电带电检测手段,该方案可提高整站检测效率、降低检测成本。
(2)基于四元平面矩形特高频阵列区域检测算法的三维坐标定位及二维方位角与距离定位模型,理论分析了方位角及距离与传感器信号时延的关系,推导出方位角准确度对时延计算精度依赖性小,即方位角定位准确度高,这为基于二次方位角重叠的区域定位算法提供了理论依据。
(3)基于先区域定位后精确定位方案,开发了一套变电站车载巡检定位系统。通过区域定位仿真计算算例及车载巡检系统现场应用所发现的局部放电案例,证实了该方案与系统可以快速有效检测电力设备外绝缘放电以及离非屏蔽绝缘较近的设备内部放电,后续将进一步研究对信号幅值较小的设备内部放电的检测效果。
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精确检测 篇7
长期以来,油田分离罐中油水界面的测控难题一直没有得到圆满的解决,传统的油水界面的测量方法主要有热敏电阻、射频导纳、超声波[1]等测量方法,但在使用的过程中都存在着各种各样的问题。例如,电阻法随着液体化学性质的改变变得不准;射频导纳法要在罐上打孔,对于大量老化的分离罐,打孔具有一定的危险;而超声波法采用非接触的方式测液位,是近几年发展较快的一种液位测量装置,但是超声波的传播速度受现场的温度、湿度、气压等环境变化的影响较大,从而影响了测位精度。近年来,微波检测技术[2]作为一种非接触、非破坏、非污染、非电量的检测新技术在石油化工领域得到了迅速的发展。使用微波(雷达)检测油水界面液位可以解决储油罐液位检测中存在的问题。由于界面雷达只需探测单一目标、并且作用距离近,不需要大的发射功率,但需要测距精度高、电路简单可靠、体积小、成本低。根据这一特点,界面雷达适宜采用LFMCW信号体制。
本文根据原油和水对微波的吸收程度不同,给出雷达测量油水界面液位的设计方案、工作原理;根据LFMCW雷达测位原理,给出了液位信号的处理方法,针对低信噪比或δ较小时Rife方法的不足之处,提出了使用Rife[3,4,5]结合Quinn[6]的方法来提高测位精度,并使用DSP[7]调试出了液晶显示结果,误差分析和实验结果表明该算法可有效地估计信号频率。
2 油水界面液位测量原理
油水界面的示意图如图1所示。当电磁波垂直入射时,在气/油、油/水、水/金属界面产生了三次反射,在气/油、油/水界面产生了两次透射。当入射波垂直入射时,反射系数R和透射系数T的表达式为:
undefined
undefined
式中:undefined——介质的特性阻抗;ε——介质的介电常数;μ——介质的磁导率。将ε水≈80, ε气=1,ε油=2～2.4,以及相应介质的磁导率代入式(1)、式(2)中可以发现,当微波在水/金属界面发生反射时,其能量衰减很大,几乎淹没在噪声中,可以忽略不计。因此,要想得到天线到油界面的高度R1,只需滤掉气/油界面的反射波。再将天线到罐底的固定高度R2去掉天线到油界面的高度R1得到水界面的高度R3,从而完成油水界面的液位测量。
微波液位测量利用了测量微波传播延迟时间的原理。微波在均匀介质中以固定的速度c传播,通过测量微波往返一次的时间t,可以得到天线到界面的距离R1为[2]:
undefined
从而可以求出液位高度。时间t就是界面的回波相对于发射信号的延迟,因此液位测量就是要精确测量延迟时间。本文采用LFMCW雷达体制来确定时间,它不是直接测量时间延迟,而是通过发送调频信号,利用回波信号和发送信号的频率差来确定时间t。
3 LFMCW雷达测量界面液位的方法
FMCW雷达调制波有多种形式,如调频等幅波雷达(三角波调频、锯齿波调频、平方率调频、正弦波调频)、伪随机二相码连续波雷达、随机二相码连续波等体制。线性和正弦波调频是过去常用的两种方式,而线性调频(LFMCW)用途最广,在从目标回波提取距离信息时,适合采用FFT 算法来处理,是本文讨论的调制方式。
线性调频连续波雷达测量油水界面液位的原理框图如图2所示。
调制器调制压控振荡器(VCO )产生随时间变化的连续高频等幅波,VCO的输出经环行器后加至天线,天线发射的微波传播到油水界面并产生三次反射、二次透射,回波在微波传播到油水界面并返回天线的这段时间内,由于发射信号的频率受调制信号调制,此时三次反射波的频率较之发射信号频率已经有了变化,由于第三次反射的信号衰减很大,通过限幅滤波电路完全可以滤掉,一次界面(气/油)反射波采用性能较高的滤波器滤掉,此时,只剩下二次界面(油/水)反射信号。二次界面反射的信号与定向耦合器耦合过来的本振信号在混频器输出端出现了差拍信号(零中频信号),差拍信号的频率与液面距离有关,通过A/D转换和信号处理(一般由DSP 实现)测出差拍信号的频率就可以直接推导出液位。对于线性调频连续波雷达,零中频信号频率与液面的距离成正比,理想情况下零中频信号为一个固定频率正弦波,所以对液位高度的测量归结为对正弦波频率的测量。
4 液位信号的处理方法
根据LFMCW 雷达测距原理,为了得到液位高度信息,需要测出中频信号的频率。确定信号的频率可以对信号进行频谱分析,也可以在时域直接处理。现代谱估计方法可以对正弦信号频率进行精确估计,但由于算法复杂,计算量巨大,难以实时处理而限制了进一步应用。时域直接处理主要采用频率计数等方法,信号整形、计数等带来的误差使测量精度受限。基于以上考虑,本文根据正弦信号的FFT变换,利用频谱主瓣的最大值和次大值的幅值、相位信息,针对Rife方法在信噪比较低或δ较小时的不足之处,提出了Rife结合Quinn方法,同时使用DSP,对信号的频率进行估计,可使油水界面的液位测量精度大大提高。
4.1 Rife算法分析
在0～T 时间内对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样, 得到采样序列的N点FFT记为X (k ) ,由于实序列FFT具有对称性, 因此只考虑离散频谱的前N/2点, 在加矩形窗情况下有:
undefined
式中:A、θ0——正弦信号的幅度、相位;f0——待估计的信号频率;Z(k)——零均值高斯白噪声,方差为σ2。
X(k)在幅度最大值处的离散频率的序号记为m。利用m可对信号的频率做粗略的估计undefined,其中undefined为FFT的频率分辨率。在加矩形窗的情况下,当信号的频率不正好是Δf的整数倍时,X(k)在主瓣内有两条谱线。最大谱线的幅度为X0=|X(m)|,次大谱线的位置记为m1,m1=m±1,次大谱线的幅度X1=|X(m1)|,则根据undefined,可以得到信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差δ为:
undefined
式中:δ∈[-0.5,0.5]。信号的实际频率估计可由下式给出:
undefined
式中的符号根据次大值在最大值的右侧还是左侧来确定。此方法的优点是插值公式简单,且不考虑噪声影响的情况下,FFT主瓣内次大值的幅度永远大于其它旁瓣的幅度,因此插值不会出现方向错误。在有噪声的情况下或|δ|较小时,可能出现位于FFT频谱最大值另一侧第一旁瓣的幅度超过主瓣内次大值的情况, 从而造成频率插值方向相反, 引起较大的频率估计误差。
4.2 基于Rife和Quinn的新算法
针对Rife算法在低信噪比时或|δ|较小时的插值方向错误问题,结合Quinn算法的优点,本文设定δ的门限值δR(可根据信噪比调整),当δ>δR时,使用Rife算法估计信号频率;当δ<δR时,使用Quinn方法估计信号频率,从而得到液位测量的精确值。使用MATLAB进行仿真,具体算法如下:
(1)令P(k)=X(k)^2,δR=0.1。
(2)查找P(k)的最大值P(m)。
(3)计算undefined。当δ≤δR时,继续,否则转向(6)。
(4)计算Quinn算法的变量。
(5)Quinn法计算δ:
如果undefined,则undefined;否则undefined。
(6)按照式(6)对信号的频率进行估计。
5 仿真结果
以LFMCW测距雷达系统为应用背景。取雷达的参数:调制周期Ts=1 ms,调制带宽B=600 MHz,采样频率fs=480 kHz,N=256。目标与雷达之间的距离为10.0～10.3 m,步进间隔为5 cm,目标为单目标,插值范围为采用FFT获得的回波中频距离谱的最大采样点与次大采样点之间。其计算机的仿真结果如表1所示。从仿真结果可以看出,当SNR=5 dB时,单独使用FFT的测量误差约为15 cm,而采用Rife结合Quinn方法可使测量精度提高,误差小于1 cm,可见使用改进的插值算法可大大提高测距精度。
图3为三种估计方法所测得的均方根误差与信噪比的变化关系。从图3中可以看出,当信噪比大于3 dB时,三种估计方法的均方根误差都比较小,Rife法较Quinn估计方法的性能稍好;当信噪比小于3 dB时,Rife方法的估计效果最差,当信噪比更低时,Rife估计方法失去意义,引进了更大的误差,再次说明了该方法的插值方向错误问题。图4为液位1 m时,使用DSP调试后的液晶显示结果,显然使用新算法的测位精度远远高于单独使用FFT的精度。本文利用Rife方法和Quinn方法的优势,根据δ的不同采用不同的估计方法(δ可根据信噪比调整),即采用Rife结合Quinn的方法来估计信号频率,从而得到液位信息。新方法在整个信噪比的变化区间内,均方根误差都较小,性能优于传统的Rife法和Quinn法。特别是在信噪比较低时,避免了Rife方法的插值方向错误问题,说明利用Quinn方法的相位信息判断插值方向产生错误的概率比较低,大大提高了测位精度,并且使用DSP校验了新算法的有效性。
6 结 论
本文提出了使用雷达测量油水界面液位的方法,介绍了油水界面液位测量的原理,给出了具体的测位原理框图。利用DSP使用改进的插值算法对雷达回波中频信号进行频谱分析,该算法的基本原理是先采用FFT测出最大采样点与次大采样点的位置,然后再采用Rife结合Quinn的插值算法进行估计,在信噪比较低或δ较小的情况下,使油水界面液位的测量精度大大提高,测量的均方根误差较小,可以满足工程对液位的测量要求。
摘要：针对现阶段油水界面液位测量方法的测位精度低、可靠性差等问题,提出雷达测量油水界面液位的方法,介绍了使用雷达测量油水界面液位的原理和设计方案。同时,对信噪比较低时,液位信号的精度不高问题,提出使用Rife结合Quinn的方法估计信号频率。仿真结果表明,该算法的均方根误差较小,估计性能优于传统的Rife法和Quinn法。
关键词：雷达,油水界面,Rife,Quinn,精度
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