基于Wiener神经网络的红外温度传感器非线性动态补偿

　　1　引　言

　　红外温度传感器是一种新型的温度测量器件[1],具有低感应、高绝缘、非接触等优点,可在强电磁场条件下使用。特别是该器件基于被测物体表面的斯忒藩-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)现象间接测量温度,从而有效避免了温度的传导过程,其响应速度远快于热电阻和热电偶等传统温度传感器。为了测出所选用红外温度传感器的动态响应指标是否满足电动机转子在线动态测温的要求,本文设计了红外温度传感器动态标定实验装置,并通过该装置对传感器进行了连续激励的动态标定实验。在工作中,为进一步提高在线测量的准确度,对传感器响应信号进行了后处理,增加W iener模型作为非线性动态补偿环节[2],以对响应滞后的动态误差进行修正。本文重点介绍了红外温度传感器动态标定实验、非线性动态补偿模型设计、补偿模型辨识以及传感器动态补偿的实验研究结果。

　　2　红外温度传感器动态标定实验

　　传感器通常使用阶跃响应法和冲击响应法进行动态标定实验[3]。但对红外温度传感器进行动态响应标定实验存在一定的难度,这主要是由于被测物体表面温度的变化往往是一个渐进的过程,不可能发生突变,因此很难形成温度阶跃或温度冲击的实验效果。

　　针对该问题,本文设计了一种连续激励的红外温度传感器动态标定测试台,如图1所示。该测试台主要由电机、转盘、热源、红外温度传感器、光电门等部分构成。将红外温度传感器端面向下固定于支架上,在传感器端面正下方放置热源。调节升降杆,使传感器端面与热源之间达到最佳测量距离(一般为3~8 mm)。在传感器端面和热源之间放置一个由电机驱动旋转的圆盘(转盘),盘面对应位置上开出一个180°的环形槽,槽宽应能使热源发出的有效红外光线穿过转盘,到达传感器端面。在红外传感器的对面位置上安装光电门探头,并使转盘上的环形槽恰好处于光电门的发射端与接收端之间。实验时,待热源表面温度达到稳定后让电机带动转盘匀速旋转。若热源被转盘遮挡,其发出的红外光线无法到达传感器端面,此时,传感器的输出为转盘表面温度(约为室温)的对应值。而当转盘环形槽旋转至传感器与热源之间时,传感器接收到热源发出的红外光线,相当于被测目标的表面温度发生了“跃变”,此时,传感器将产生一个正的阶跃响应。当转盘再旋转180°,热源的红外光线再次被遮挡,传感器又将受到一个负的阶跃激励。如此往复,实验中红外温度传感器产生一个连续、周期的正、负阶跃交替的响应。

　　光电门探头的安装位置与温度传感器相差180°,因此,光电门所受激励与传感器所受激励的相位相反。由于光电门及其放大电路的总体响应时间不超过1 ms,相对红外温度传感器的响应延迟可忽略,所以,实验时可将光电门响应的反相信号近似作为红外传感器所受到的连续激励。