一种磁致伸缩传感器的波导信号温度补偿方法与流程

本发明涉及传感器信号处理与磁致伸缩位移测量温度补偿。更具体地，本发明涉及一种磁致伸缩传感器的波导信号温度补偿方法。

背景技术：

1、在工业自动化与精密位置检测技术领域，磁致伸缩传感器依靠波导信号在波导丝中的传播时间来实现高精度位移测量，波导信号的传播过程并非理想的恒定运动，而是一个容易受环境温度影响的物理过程。环境温度的波动会直接改变波导丝的弹性模量与波导信号的传播速度，为了确保传感器在复杂工况下的测量精度，必须对波导信号在传输过程中的声速漂移进行准确的预测与动态补偿控制。

2、相关技术中，例如公开号为cn121877064a的中国专利申请文件，公开了一种基于自适应动态标定的磁致伸缩传感器及其标定方法，该申请文件在说明书中记载，其通过环境参数监测模块中的温度传感器实时监测外部环境温度，并将获取的当前环境温度绝对数值直接输入至预存的高斯过程回归模型中，进而输出预测均值以进行后续的动态补偿。这种控制方式在环境温度变化缓慢、内外热量充分平衡的准静态工况下，能够实现基础的环境干扰补偿与被动的非线性误差修正。

3、然而，对现有技术在磁致伸缩传感器面临突发冷热冲击、高温蒸汽洗罐等变温工况下的表现分析发现，这种直接将外部环境温度绝对数值输入补偿模型、依赖静态概率映射的控制架构，存在未考虑物理热传导因果律与动态热惯性时滞引发底层控制冲突的缺陷。

4、首先，传感器的核心波导丝通常被紧密安装在厚重的金属保护套管内部，外部环境热量传递至内部波导丝必须跨越金属管壁与内部空气层的双重物理热阻，这在客观物理上会产生明显的热传导时间迟滞。现有技术将传感器外部瞬间升高或降低的环境温度绝对数值，不做时间维度的缓冲与时序排查处理，直接前馈输入给声速补偿模型。随着外部环境温度的变化，补偿算法会下发较大的修正指令，但此时套管内部的波导丝真实物理温度尚未发生同步改变。

5、由于控制系统缺乏对外部温度动态变化率的时序标定，以及缺乏物理热阻尼缓冲的阻断机制，这种忽略不同介质传热因果律的直接映射，导致在环境温度剧变的过渡阶段，传感器算法产生过度补偿，使得最终输出的位移测量数值出现瞬态跳变误差。这种因材料热容和导热率导致的客观物理时间差，无法通过微调数学概率模型的超参数或增加静态标定点来解决。

技术实现思路

1、为解决现有技术直接将外部环境温度绝对值输入补偿模型，未考虑金属保护套管与内部空气层的热传导时滞，在突发冷热冲击、高温洗罐等温度快速变化工况下，外部温度突变而内部波导丝温度尚未同步变化，导致算法过度补偿、输出位移值出现跳变误差的技术问题，本发明提供了一种磁致伸缩传感器的波导信号温度补偿方法，包括：

2、s1：通过对接硬件通信接口，获取传感器当前环境温度与传感器前序环境温度；s2：基于相邻采样数据的热场分布，执行离散时域差分，得到传感器温度波动差值与传感器数据采样间隔；对传感器温度波动差值除以传感器数据采样间隔作比，获得传感器温度变化速率；提取历史温度变化速率均值与历史温度变化速率标准差，并将二者线性相加，获得传感器安全温差界限；s3：对传感器安全温差界限与传感器温度变化速率，执行动态阻尼权重映射算法，获得传感器热滞后权重比；基于传感器热滞后权重比，根据一阶热惯性动态阻滞原理，计算传感器等效内部温度；对传感器等效内部温度执行线性温度漂移补偿算法，获得传感器动态补偿声速；s4：基于声波飞行时间测距运动学原理，对传感器动态补偿声速执行飞行时间测距解算，获得传感器高精位移数值；根据传感器温度变化速率大小，将传感器高精位移数值封装输出。

3、本发明针对现有磁致伸缩传感器温度补偿方法直接将外部环境温度绝对值输入补偿模型，未考虑金属保护套管与内部空气层的热传导时滞，在突发冷热冲击、高温洗罐等温度快速变化工况下，外部温度突变而内部波导丝温度尚未同步变化，导致算法过度补偿、输出位移值出现跳变误差的技术缺陷。通过采集相邻周期温度计算温度变化速率，结合历史统计数据生成自适应安全温差界限；基于温度变化速率计算热滞后权重比，通过一阶惯性加权模拟热传导阻尼效应，估算波导丝等效内部温度；再根据等效内部温度修正波导声速，结合信号传播时间计算高精度位移值，仅在确认真实温度变化时输出补偿结果。本发明从物理热传导因果链出发，通过算法模拟金属套管的热惯性时滞，解决了温度突变时的过度补偿问题，消除了变温工况下的位移跳变误差，提升了磁致伸缩传感器在复杂变温工况下的测量精度与输出稳定性。

4、优选地，获取传感器当前环境温度与传感器前序环境温度，包括：

5、调用环境参数监测模块的硬件寄存器，同步提取当前控制周期的外部热敏电信号并转化为传感器当前环境温度，同时将系统内上一个控制周期缓存的热力学数据调取为传感器前序环境温度。

6、优选地，得到传感器温度波动差值与传感器数据采样间隔，包括：

7、计算传感器当前环境温度减去传感器前序环境温度的绝对物理差额，得出传感器温度波动差值；同时，调用底层硬件时钟芯片提取两次数据采样之间的真实时间跨度，将其确定为传感器数据采样间隔。

8、优选地，获得传感器温度变化速率，包括：

9、将传感器温度波动差值除以传感器数据采样间隔，得出传感器温度变化速率。

10、本发明将温度波动差值除以采样间隔，得到单位时间内的温度变化即传感器温度变化速率，该方式将静态的温度绝对值升维为动态的温度变化趋势指标，能够评估外部热冲击的爆发强度，区分缓慢自然温升与突发冷热冲击，为热滞后判断提供核心的动态特征量。

11、优选地，获得传感器安全温差界限，包括：

12、通过通信总线访问数据存储单元，提取目标时间段内，历史稳态运行期间记录的历史温度变化速率均值与历史温度变化速率标准差；将历史温度变化速率均值与历史温度变化速率标准差进行同量纲的线性相加，得出传感器安全温差界限。

13、本发明提取历史稳态运行的温度变化速率均值与标准差，二者线性相加得到传感器安全温差界限，该方式基于传感器自身运行的统计数据自适应生成温度变化容差阈值，替代人工设定的固定阈值，能够自动适配不同安装环境、不同季节的正常温度波动范围，避免将正常工艺温度波动误判为热冲击。

14、优选地，获得传感器热滞后权重比，包括：

15、在数据转换模块中，将传感器安全温差界限作为分子标度，将传感器安全温差界限与传感器温度变化速率的和值作为分母标度，执行除法降维映射操作，解算得出传感器热滞后权重比。

16、本发明以安全温差界限为分子、安全温差界限与温度变化速率之和为分母做除法降维，得到传感器热滞后权重比。该方式将外部温度变化速率转化为0-1之间的权重系数，温度变化越快，当前外部温度的权重越低、前序温度权重越高，从算法层面模拟了金属套管与空气层对热量的阻尼衰减作用，实现物理热惯性到软件控制参数的转换。

17、优选地，计算传感器等效内部温度，包括：

18、提取前序获取的传感器当前环境温度、传感器前序环境温度以及前序计算的传感器热滞后权重比，利用传感器热滞后权重比对传感器当前环境温度进行正向数值相乘加权，利用常数1与传感器热滞后权重比的绝对差值对传感器前序环境温度进行反向数值相乘加权，将两项加权乘积结果进行代数相加，解算得出传感器等效内部温度。

19、本发明利用热滞后权重比对当前温度、前序温度做双向加权求和，得到传感器等效内部温度，即通过一阶惯性滤波模拟热量从外部套管传导到内部波导丝的时滞过程，估算出波导丝的真实温度，避免了直接使用外部突变温度导致的补偿过度问题，从根源上消除了热传导时间差带来的补偿误差。

20、优选地，获得传感器动态补偿声速，包括：

21、将传感器配置库中出厂固化的波导丝介质温度系数与传感器标定基准声速进行同步前置提取；提取前序计算的传感器等效内部温度，将波导丝介质温度系数与传感器等效内部温度执行映射修正，将传感器标定基准声速与该修正结果进行数值融合，得出传感器动态补偿声速。

22、优选地，获得传感器高精位移数值，包括：

23、通过波导信号检测电路读取当前的波导信号原始传播时间；在算术逻辑单元中将传感器动态补偿声速与波导信号原始传播时间执行单次数值映射，得出传感器高精位移数值；并在内存中划定一个温度变化防抖判定参数作为底噪阈值。

24、优选地，将传感器高精位移数值封装输出，包括：

25、提取前序获取的传感器温度变化速率与前序设定的温度变化防抖判定参数；当判定传感器温度变化速率大于温度变化防抖判定参数时，系统确认传感器处于真实的外部环境温度变化状态，随即提取前序计算的传感器高精位移数值，将其封装并生成传感器温度补偿指令下发至上位机控制系统，完成复杂变温工况下的温度协同补偿输出。

26、本发明的有益效果在于：本发明基于磁致伸缩传感器现有温度检测电路与运算单元实现，无需在波导丝内部额外加装温度探针，不增加传感器硬件成本，算法可直接嵌入现有传感器的信号处理芯片，适用于各类量程、各类波导丝材质的磁致伸缩位移传感器。基于历史运行数据自适应生成的温度容差阈值，无需针对不同安装环境人工整定补偿参数，传感器出厂后即可自适应不同工况；热滞后权重模拟算法有效解决了高温蒸汽洗罐、突发冷热冲击等极端工况下的测量跳变问题，可将温度快速变化过程中的位移测量误差有效降低，避免了传感器输出跳变引发的工业设备误动作。防抖门限设计保证了稳态运行时输出值的稳定性，不会因电气噪声出现频繁数值跳动，提升了磁致伸缩传感器在冶金、石化、工程机械等复杂工业现场的环境适应性与测量可靠性，为高精度工业位移检测提供了低成本、易落地的温度补偿技术方案。