真空度測(cè)量精度改善方法研究

針對(duì)真空度測(cè)量精度低的現(xiàn)狀，提出一種真空度測(cè)量精度改善方法。以熱偶規(guī)為研究對(duì)象，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)真空度測(cè)量系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用三種不同的算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行訓(xùn)練，以獲得盡可能穩(wěn)定、精度更高的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)三種算法由測(cè)試樣本進(jìn)行測(cè)試，三種算法訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)能較大程度地提高真空度測(cè)量精度，受熱絲電流、熱絲冷阻干擾影響大大減?。欢?速下降法對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)輸出值波動(dòng)較大，附加動(dòng)量法次之，自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率調(diào)整法對(duì)應(yīng)的輸出值波動(dòng)*小，波動(dòng)量小于0.01。

目前真空測(cè)量的精度很低，一般會(huì)導(dǎo)致20%的誤差。提高真空測(cè)量的精度和速度一直是真空測(cè)量關(guān)注的重要內(nèi)容。提高真空測(cè)量的精度和速度可以通過改進(jìn)規(guī)管結(jié)構(gòu)和真空計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路兩方面來實(shí)現(xiàn)。真空規(guī)管結(jié)構(gòu)對(duì)真空測(cè)量的影響很大,不同的測(cè)量結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于不同的測(cè)量原理，導(dǎo)致不同的測(cè)量效果。在規(guī)管結(jié)構(gòu)確定下，如何改進(jìn)真空計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的硬件和軟件是關(guān)鍵。本文提出一種處理算法能夠提高真空測(cè)量的精度，使得規(guī)管在外界加熱電流波動(dòng)或熱絲冷阻發(fā)生變化時(shí)仍能輸出較**的真空度測(cè)量值。

1、真空測(cè)量系統(tǒng)原理及框圖設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以熱偶規(guī)ZJ-54D 為對(duì)象進(jìn)行分析。熱偶規(guī)工作原理分析: 在熱偶規(guī)測(cè)量范圍內(nèi)，真空度的變化僅與氣體熱傳導(dǎo)有關(guān)，因此在熱絲加熱電流不變時(shí)，熱電偶的輸出電動(dòng)勢(shì)僅與真空度有關(guān)，根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與真空度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系構(gòu)建特性曲線圖。假定規(guī)管的特性曲線準(zhǔn)確可靠，且不考慮油蒸汽、炭、粉塵的沾污影響。

實(shí)際應(yīng)用中，熱絲的輸入電流會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，從而偏離標(biāo)定電流，影響熱偶規(guī)的輸出電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致熱絲冷端電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，也會(huì)對(duì)電動(dòng)勢(shì)大小產(chǎn)生相應(yīng)影響。由于交叉干擾的存在，*終導(dǎo)致熱電動(dòng)勢(shì)與壓強(qiáng)之間的關(guān)系偏離規(guī)管特性曲線，從而降低熱偶規(guī)的測(cè)量精度。本真空度測(cè)量系統(tǒng)以單個(gè)規(guī)管為對(duì)象，不涉及規(guī)管的零散性分析。

為了消除熱絲電流的波動(dòng)及熱絲冷阻的變化對(duì)真空度測(cè)量的影響，將加熱電流、熱絲冷阻和熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)接入信息處理網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入為3 個(gè)信號(hào)，其中U3 為被測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)的電壓輸出信號(hào)，U1、U2 為2個(gè)非目標(biāo)參量的檢測(cè)信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)輸出的初始熱電動(dòng)勢(shì)為Ec，根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)和壓強(qiáng)之間的特性曲線求出被測(cè)壓強(qiáng)。輸出量Ec為被測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)的單值函數(shù),這樣可以消除加熱電流和熱絲冷阻2 個(gè)非目標(biāo)量的影響; 而且在加熱電流變化和熱絲冷阻波動(dòng)的情況下，可使系統(tǒng)輸出Ec，以允許偏差逼近被測(cè)目標(biāo)量E，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)量測(cè)量精度的提高。

2、真空度測(cè)量系統(tǒng)BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1、BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)被測(cè)信息進(jìn)行分析處理，可以提高測(cè)量精度。從預(yù)測(cè)電動(dòng)勢(shì)的角度出發(fā)，首先確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。本文采用3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以建立在不同加熱電流和熱絲冷阻條件下的電動(dòng)勢(shì)預(yù)測(cè)模型，以達(dá)到提高測(cè)量精度的效果。輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)由輸入信號(hào)的個(gè)數(shù)確定即加熱電流、熱絲冷阻、熱電動(dòng)勢(shì)，則輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)n = 3，中間層為隱節(jié)點(diǎn)層，輸出層為預(yù)測(cè)輸出的電動(dòng)勢(shì)，則輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)m= 1，其真空度測(cè)量系統(tǒng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)*為關(guān)鍵的步驟，本文采用試湊法確定*佳隱節(jié)點(diǎn)數(shù)。試湊法是確定*佳隱節(jié)數(shù)常用的方法，在用試湊法時(shí)，通過如下經(jīng)驗(yàn)公式確定隱節(jié)點(diǎn)數(shù)

式中，k 為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，n 為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，m 為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，A為1~ 10 之間的常數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，先設(shè)置較少的隱節(jié)點(diǎn)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),然后逐漸增加隱節(jié)點(diǎn)數(shù)，采用同一樣本集中進(jìn)行訓(xùn)練。由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)不同的樣本具有不同的誤差，以多對(duì)訓(xùn)練樣本中*大者Emax代表網(wǎng)絡(luò)的總誤差E ,也可用其均誤差根

作為網(wǎng)絡(luò)的總誤差，從而確定網(wǎng)絡(luò)總誤差*小時(shí)對(duì)應(yīng)的隱節(jié)點(diǎn)數(shù)。隱層、輸出層的神經(jīng)元轉(zhuǎn)移函數(shù)采用Sigmoid 函數(shù)，可避免神經(jīng)元的輸出進(jìn)入飽和狀態(tài)。

結(jié)論

針對(duì)真空度測(cè)量精度不高的問題，本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了真空度測(cè)量數(shù)據(jù)的信息處理方法。通過設(shè)計(jì)BP 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)采用三種算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行訓(xùn)練，以獲得穩(wěn)定、精度更高的真空度測(cè)量BP 網(wǎng)絡(luò)。由測(cè)試數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，三種算法訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)較原測(cè)量數(shù)據(jù)的精度大大提高，受加熱電流和熱絲冷阻值變化的影響大大減弱; 同時(shí)，自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率調(diào)整法、附加動(dòng)量法對(duì)應(yīng)的測(cè)量輸出數(shù)據(jù)波動(dòng)量較*速下降法小，而其中自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率調(diào)整法對(duì)應(yīng)的測(cè)量輸出數(shù)據(jù)波動(dòng)量*小，小于0.01。這將為下一步高精度真空計(jì)開發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。