超声波颗粒监测尺寸标定方法研究

　　引言

　　利用超声波进行液体中的颗粒监测是一项具有广泛应用前景的技术,笔者在这方面做了一些理论研究及试验验证等工作,并取得了一定的成果[1]。目前,关于试验颗粒精度的确定有两种基本原则:一是绝对精度标定,即使用标准大小、数量的颗粒进行测量,比较测量结果与实际值差别,由此确定精度;二是相对精度标定,即利用高精度的仪器对某颗粒进行测定,并将结果与本装置的试验结果进行比较。在仪表和传感器标定中[2],往往需要根据2个变量x和y的n组试验数据(xi,yi)(i=1,2,…,n)来求得这两个变量的函数关系的近似式(经验公式),这个过程也称为曲线拟合。在实际计算时,常用的方法是最小二乘法。该方法是在选择了曲线的数学公式模型之后,通过偏差的平方和对每个系数求偏导,令偏导数为零来建立方程组,经过一系列推导,从而得到系数公式,求得系数值。这个过程往往比较复杂,特别是在编程实现时,需要对不同的函数段编制不同的程序段,而且其结果是不稳定的,即当数据(xi,yi)(i=1,2,…,n)发生细微扰动时,可能会导致估计结果发生极大的变化。这一点在标定过程中是十分有害的。针对最小二乘法的一些不足,文献[3]提出了用矩阵运算来实现曲线拟合中的最小二乘法,从而改进了其计算复杂程度。文献[4]采用具有较高稳定性的最小一乘估计法,较好地解决了抗干扰问题。还有人应用基于实数编码型遗传算法的标定方法[5],该方法具有不受标定点数限制和精度高的特点。

　　根据实际情况,由于无法获得大小、数量可控的试验颗粒,本文目的是对超声波颗粒监测装置进行尺寸标定,针对其难点问题,采用相对精度标定原则,提出了一种基于神经网络BP改进算法曲线拟合的标定方法。在标定试验中,首先将颗粒在Malvern 2600激光颗粒分析仪上的测试结果作为标定数据,然后应用该标定方法建立超声波颗粒监测装置试验数据与Malvern 2600激光颗粒分析仪上测试数据之间的对应关系。

　　1　标定方法的原理

　　超声波颗粒监测装置是利用超声波遇障碍物会产生背散射信号的原理工作的。背散射信号强度不但与障碍物的形状、尺寸和分布有关,而且与传播介质性质有关[6]。

　　作为障碍物之一的被测液体中的气泡,具有很强的背散射信号,并且难与液体中的监测颗粒的回波信号区分开来。综合分析可见,装置测得的背散射信号与被测颗粒的尺寸之间的对应关系具有很强的非线性。而且要提高标定测量的精度,必须事先剔除掉气泡信号,这样就给超声波颗粒监测尺寸标定增添了难度[7]。

　　本文将采用相对精度标定原则进行尺寸分布标定。具体方法如下: