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浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (6): 1218-1227    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.06.020
机械工程     
曲面基体绝缘涂镀层涡流测厚高精度标定方法
陶正瑞1(),党嘉强1,徐锦泱1,安庆龙1,*(),陈明1,王力2,任斐2
1. 上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240
2. 上海航天设备制造总厂有限公司,上海 200245
High-precision calibration methods of thickness measurement for insulation coation on curved surface based on eddy current
Zheng-rui TAO1(),Jia-qiang DANG1,Jing-yang XU1,Qing-long AN1,*(),Ming CHEN1,Li WANG2,Fei REN2
1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2. Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer Co. Ltd, Shanghai 200245, China
 全文: PDF(1927 KB)   HTML
摘要:

为了提高金属零件表面绝缘涂镀层厚度测量精度,以某型电涡流位移流传感器为例,开展3种不同曲率的曲面试件标定试验;对比分析9次多项式、7项傅里叶级数、多峰高斯函数和径向基函数神经网络这4种标定方法的误差平方和、均方根、决定系数以及单点运算时间;综合评价4种标定方法在测量精度、计算速率方面的优劣,为涡流位移传感器在不同应用场合的标定方法选择提供参考. 针对燃料贮箱外表面聚氨酯泡沫层厚度测量要求,选用基于径向基函数神经网络的曲面基体涡流测厚法进行验证试验. 结果表明,通过优化标定方法,测量误差可以控制在?0.15~ 0.15 mm.

关键词: 涡流测厚高精度标定高斯多峰拟合径向基函数神经网络    
Abstract:

A certain type of eddy current displacement sensor was taken as an example, and three calibration testing experiments were conducted, in order to increase the accuracy of thickness measurement for insulating coating on curved surface. The 9th-degree polynomial, 7th-order Fourier series, Gaussian multi-peak function, and radial basis function neural network were used for fitting. The squared sum of errors, root mean square, coefficient of determination and single-point operation time were compared and analyzed in terms of measurement accuracy and operation rate, for reference on how to choose the calibration method in different applications. Aiming at the requirements of thickness measurement of polyurethane foam on the outer surface of the fuel tank, chose the method based on radial basis function neural network for verification test. Results show that the measurement error can be controlled between ?0.15 mm to 0.15 mm by optimizing the calibration method.

Key words: eddy current thickness measurement    high-precision calibration    Gaussian multi-peak fitting    radial basis function neural network
收稿日期: 2019-05-30 出版日期: 2020-07-06
CLC:  TG 156  
基金资助: 国家科技重大专项资助项目(2017ZX04005001)
通讯作者: 安庆龙     E-mail: taozhengrui@sjtu.edu.cn;qlan@sjtu.edu.cn
作者简介: 陶正瑞(1996—),男,硕士生,从事加工过程监控研究. orcid.org/0000-0003-1510-6855. E-mail: taozhengrui@sjtu.edu.cn
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陶正瑞
党嘉强
徐锦泱
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陈明
王力
任斐

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陶正瑞,党嘉强,徐锦泱,安庆龙,陈明,王力,任斐. 曲面基体绝缘涂镀层涡流测厚高精度标定方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(6): 1218-1227.

Zheng-rui TAO,Jia-qiang DANG,Jing-yang XU,Qing-long AN,Ming CHEN,Li WANG,Fei REN. High-precision calibration methods of thickness measurement for insulation coation on curved surface based on eddy current. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(6): 1218-1227.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.06.020        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I6/1218

图 1  涡流测厚试验系统结构框图
技术指标 数值 单位
供电电源 +24 V
灵敏度 0.32 mA/mm
输出 4~20 mA
平板测量误差 ?0.01~ +0.02 mm
输出波纹 ≤20 mV
频响 0~10 kHz
温漂 ≤0.1 %fs/°C
外形尺寸 60×60×120 mm×mm×mm
表 1  电涡流位移传感器技术指标
技术指标 数值 单位 技术指标 数值 单位
X 行程 1 067 mm 最大主轴转速 12 000 r/min
Y 行程 610 mm 主轴功率 18 000 W
Z 行程 610 mm 定位精度 0.01 mm
A ±110 (°) 重复定位精度 0.000 5 mm
C ±110 (°) ? ? ?
表 2  机床性能参数
图 2  测量系统数据采集模块
图 3  涡流测厚试验现场设置
图 4  径向基函数神经网络(RBFNN)结构
神经元 W L 神经元 W L
1 19.26 1 396.53 13 19.96 ?360 615.5
2 16.47 70.69 14 19.55 ?4 928.79
3 13.5 12.6 15 12.58 ?13.82
4 10.98 5.47 16 7.43 2.67
5 19.99 199 409.31 17 4.58 2.00
6 18.82 ?118.45 18 16.28 ?24.85
7 15.00 13.22 19 9.18 2.38
8 8.53 2.27 20 14.23 0.77
9 12.39 20.54 21 19.92 164 938.2
10 17.12 128.32 22 16.97 ?143.89
11 6.12 1.86 23 2.90 ?1.95
12 10.03 3.39 ? ? ?
表 3  径向基函数神经网络参数
图 5  试件1上的4种标定曲线与数据样本点
图 6  径向基函数神经网络训练过程
图 7  标定曲线与原始数据样本点
图 8  4种标定方法在传感器量程内的误差分布
标定方法 SSE / mm2 RMSE / mm R2 Emax / mm
Poly9 0.316 8 0.058 7 0.999 98 0.217 9
Fourier7 0.122 2 0.036 5 0.999 99 0.137 9
Gauss8 0.198 5 0.046 5 0.999 93 0.187 0
RBFNN 0.046 7 0.022 5 0.999 99 0.124 7
Plane 1 289.000 0 3.743 2 0.740 50 8.786 2
表 4)  标定方法在试件1上的测量值误差统计
试件 标定方法 SSE /
mm2
RMSE /
mm
Emax /
mm
Δt /
ms
试件2 Poly9 0.307 3 0.057 8 0.216 5 0.12
Fourier7 0.114 5 0.035 3 0.136 5 0.19
Gauss8 0.143 8 0.039 5 0.157 8 1.19
RBPNN 0.040 8 0.021 9 ?0.103 6 3.77
Plane 1 300.000 0 3.759 9 8.816 5 0.17
试件3 Poly9 0.974 8 0.107 7 0.437 2 0.11
Fourier7 0.296 8 0.059 4 ?0.198 3 0.15
Gauss8 0.177 8 0.046 ?0.200 5 1.12
RBFNN 0.033 0 0.018 9 ?0.068 5 6.51
Plane 739.000 0 2.966 8 7.273 9 0.12
表 5  5种标定方法在2种不同试件上的测量值误差统计
图 9  采用针刺法测量金属基体表面的涂镀层厚度
图 10  采用涡流法测量金属基体表面涂镀层厚度
图 11  曲面试件1涂镀层厚度测量试验验证结果
图 12  曲面试件2涂镀层厚度测量验证试验结果
图 13  曲面试件3涂镀层厚度测量验证试验结果对比
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