一种水射流冲击传感器及其使用方法

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1.本发明属于传感器技术领域，涉及一种水射流冲击传感器及其使用方法，基于非支配排序遗传算法，能够准确给出与水射流面积对应的压力值。


背景技术：

2.伴随着电子技术、集成电路和计算机技术的发展，市面上出现了越来越多的新型传感器。其中的压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，通常由压力敏感元件和信号处理单元组成，广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。在水射流冲击力测定领域，无论是空气水射流还是淹没水射流，都没有一款专门针对其作业环境，作业精度、高防水的压力传感器。现有技术中的压力传感器，多是应变式传感器，注入防水胶，与靶板相连接，无法准确测定水射流冲击面积，检测模块也只能给出一个最大监测数值，无法给出射流冲击接触靶板是有效面积对应的有效监测压力数值。例如，中国专利202211186042公开的一种组合传感器，包括检测传感器、压力传感器、防水透气膜、壳体和与所述壳体连接的外壳，所述壳体形成有容纳腔和过气孔，所述容纳腔内设置有所述检测传感器，所述外壳内设置有分隔件，所述分隔件将所述外壳内腔分隔为相互隔离的第一容纳腔和第二容纳腔，所述过气孔连通所述第一空腔和所述容纳腔，所述第一空腔形成有与外界连通的第一开口，所述第二空腔形成有与外界连通的第二开口，所述防水透气膜设置为用于防止外界的水从所述第一开口进入所述容纳腔；所述压力传感器至少部分设置于所述第二空腔内，设置于所述第二空腔内的至少部分所述压力传感器被防水胶层包裹以与外界隔离。中国专利202210484894公开的一种升降式带有防水结构的压力传感器，包括升降机构，所述升降机构的顶部设有第一防护机构，所述第一防护机构的外壁设有第二防护机构，所述升降机构包括第一支撑杆，所述第一支撑杆的外壁活动套接有第二支撑杆，所述第一防护机构包括底板，所述底板的底部固定安装有用于与第一支撑杆相连接的球形铰接座，所述底板的顶部固定安装有承托柱，所述承托柱的外壁上固定安装有多个充气气囊，所述充气气囊呈工字型设置，所述第二防护机构包括防水套壳，所述防水套壳的内部固定安装有压力传感器，所述压力传感器的底部固定连接有用于与承托柱相连接的控制主板，且所述压力传感器的控制主板的外壁固定安装有用于与防水套壳相连接的衔接座，所述防水套壳的顶部套接有压力垫块，所述压力垫块的底部呈环形等距依次固定安装有多个用于与压力传感器相连接的压力杆，所述防水套壳的内壁上呈环形一侧等距布置有多个用于挤压充气气囊的第二压板，所述防水套壳的底部固定安装有用于与承托柱相连接的防水胶垫。中国专利202221405074公开的一种多用途的压力传感器，其包括外壳，所述外壳内部为容纳腔、顶部开设有进压孔，所述进压孔与容纳腔相连通；其特征在于：所述外壳底部固定安装有基板，所述基板上安装有第一压力敏感芯片和第二压力敏感芯片，所述基板上还开设有第一参考孔和第二参考孔，所述第一参考孔与第一压
力敏感芯片的低压腔相连通，所述第二参考孔与第二压力敏感芯片的低压腔相连通，所述第一压力敏感芯片和第二压力敏感芯片的高压腔均与进压孔相连通。但是，在水射流冲击力测定过程中，往往反复多次重复相同试验，基于应变式传感器测定的数值差异很大。因此，需要研发设计一种水射流冲击传感器及其使用方法，根据水射流冲击面积反馈压力值，具有积极的社会和经济效益。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，研发设计一种水射流冲击传感器及其使用方法，以有效监测水射流冲击试验过程中的冲击力大小。
4.本发明涉及的水射流冲击传感器的主体结构包括传感器基体及其上设置的靶板，以及靶板表面上设置的led灯指示区和具有栅栏式网格节点的压力传感单元。
5.本发明涉及的靶板的材质包括透明亚克力；栅栏式网格节点的监测节点呈矩形网格排列，形成栅栏，并对应冲击区域的坐标信息。
6.本发明涉及的水射流冲击传感器在水射流实验室中应用于水射流冲击力试验(包括空气水射流冲击试验和淹没水射流冲击试验)，当水射流产生的射流水束冲击到靶板表面时，被射流水束冲击到的led灯指示区的led灯亮起；通过led灯亮起的区域，判断射流水束冲击在靶板上的位置；根据靶板冲击面对应的节点坐标信息，经过小波阈值数值处理，得到水射流冲击的面积和压力值；具体过程如下：
7.第一步、依据响应节点坐标筛选监测点数据，基于matlab坐标搜寻法，每个响应节点的几何坐标唯一，当压力传感单元有数据响应时，根据响应节点几何坐标相邻或相邻数值相差小于0.5的归为一个子集，根据matlab坐标法由外到里依次创建坐标子集；
8.第二步，采用小波阈值降噪处理每个子集监测点数值，判断监测点数值之间的差异是否小于0.5，以剔除尖锐点；
9.第三步、依次连接监测点每个子集数值，形成多个封闭区域；
10.第四步、将冲击产生的坐标信息，监测数值，冲击靶距，初始射流压力带入预测模型；
11.第五步、基于预测模型给出冲击的最大面积和冲击力均值。
12.本发明与现有技术相比，在靶板表面上设置led灯指示区，采用具有栅栏式网格节点的压力传感单元，基于不同质量、不同圆底面积的圆柱形砝码，从不同高度跌落冲击靶板，仿真不同压力的水射流冲击靶板，以不同高度跌落的节点压力信息、节点响应坐标、跌落高度数据作为训练数据输入值，理论计算冲击压力，将理论计算冲击面积作为输出值带入多目标快速非支配排序遗传算法模型进行训练，为预测冲击产生的射流区域和有效射流压力均值建立数据库，为不同距离的水射流冲击试验提供预测数值，校核真实试验过程中的小波阈值处理数据，给出不同区域的冲击面积和冲击压力均值。
附图说明：
13.图1为本发明涉及的水射流冲击传感器的主体结构示意图。
14.图2为本发明涉及的空气水射流冲击试验示意图。
15.图3为本发明涉及的淹没水射流冲击试验示意图。
16.图4为本发明涉及的水射流冲击传感器的跌落仿真校准示意图。
17.图5为本发明涉及的水射流冲击传感器的跌落仿真数据处理流程示意图。
18.图6为本发明涉及的水射流冲击传感器的运行流程示意图。
具体实施方式：
19.下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
20.实施例1：
21.本实施例涉及的水射流冲击传感器的主体结构包括传感器基体1、靶板2、压力传感单元3、黄色led灯区4、绿色led灯区5和红色led灯区6；传感器基体1的表面设置有圆形结构的靶板2，内部设置有具有栅栏式网格节点的压力传感单元3；靶板2的表面从圆心到圆周依次设置有黄色led灯区4、绿色led灯区5和红色led灯区6。
22.本实施例涉及的黄色led灯区4、绿色led灯区5和红色led灯区6的面积各占靶板2的面积的1/3，三者共同配合构成led灯指示区。
23.本实施例涉及的水射流冲击传感器进行如图2所示的空气水射流冲击试验时，射流水束冲击到靶板2的表面后，根据led灯指示区的显示，调节射流水束的冲击角度，保证测量结果的准确性；具体地，当射流水束冲击到靶板的中心区域时，黄灯亮起；当射流水束冲击到靶板的边缘区域时，红灯亮起；当射流水束冲击到中心区域与边缘区域之间的范围时，绿灯亮起。
24.本实施例涉及的水射流冲击传感器进行如图3所示的淹没水射流冲击试验时，高压射流水束从喷嘴中射出，经过设定深度的水到达靶板2的表面，由于存在具有设定深度的水，高压射流水束会发生偏转，根据led灯指示区的显示，矫正高压射流水束的射流方向。
25.本实施例涉及的水射流冲击传感器的校准过程包括以下步骤：
26.第一步、取不同质量(0.5kg、1kg、1.5kg、2kg
……
)和不同底面面积的圆柱形砝码做低落仿真冲击试验，从不同的高度上跌落冲击传感器，得到一系列包括节点压力、节点坐标、跌落高度和跌落时理论冲击力的节点信息，如图4所示的a1、a2、a3
……
a11、a12、a13，根据节点坐标，以最内圈节点信息为例，即图4中的机器学习边界1，为有效接触节点信息圆圈，基于matlab坐标法，响应节点的坐标是唯一的，通过对响应节点坐标遍历搜寻，根据坐标相邻的原则，将监测压力信息小于等于一倍的数据划分到一个子集，以此划分若干个子集；
27.第二步、采用小波阈值降噪处理各个子集监测压力数值，剔除包括尖锐角的不良坐标点，判断同一子集监测点之间的压力差值是否小于0.5，小于的话继续第三步，这是由于在砝码跌落仿真试验过程中，监测节点存在数据偏差大的噪点，监测节点位置远远偏出或者超出跌落区域，否则，返回第二步；
28.第三步、经过小波阈值分析处理，将同一子集的监测点数据坐标依次连接成一个封闭区域，有里到外，形成若干个封闭区域，给出封闭区域对应的压力均值；
29.第四步、将监测节点坐标、节点压力值、跌落高度作为输入值，真实的砝码底面积、砝码理论冲击力作为输出值，带入训练模型，经过小波阈值处理后，作为模型训练集数据；其中，模型采用nsga-ii带精英策略的快速非支配排序遗传算法，多目标遗传算法；
30.由于跌落冲击传感器过程中，冲击范围基于神经网络算法确认，冲击边界基于监
测模块数据确定，基于真实的冲击情况，跌落撞击的边界是规则的圆形，其中，有效边界与有效数据节点不可能完全重叠，当设定面积s的砝码跌落冲击传感器表面时，数据监控节点响应分别为a1、a2、a3
……
a10、a11、a12，此时，数据监控节点依次连接成为一个区域，与砝码跌落在传感器表面形成的边界面积存在差异，对每个监测节点的数据进行小波阈值降噪处理，设置阈值筛选，保证最外层数值差距小于0.5的为一个等级，使最外层的监测数据点最终经过筛选后形成一个封闭区域。
31.本实施例涉及的水射流冲击传感器运行时：
32.首先，将质量为3.5kg，截面面积为9πcm2的砝码从10cm处跌落至压力传感单元3，通过压力传感单元3的网格节点监测到一系列坐标点数值，压力传感单元3的每个网格节点都有与之对应的几何坐标，得到的跌落后响应节点监测坐标数值如下：a35(3.51kg)a34(3.45kg)、a30(3.98kg)、a32(3.45kg)、a33(3.22kg)、a31(3.44kg)、a29(3.85kg)，a27(3.19kg)、a25(2.84kg)、a24(2.68kg)、a23(2.56kg)、a22(2.51kg)、a21(2.68kg)、a20(2.41kg)，a19(2.20kg)、a18(2.05kg)、a17(1.68kg)、a16(2.08kg)、a15(1.45kg)、a14(1.12kg)、a13(1.38kg)，a12(0.95kg)a10(1.01kg)、a09(0.85kg)、a07(0.82kg)、a03(0.70kg)、a01(0.52kg)；
33.然后，通过matlab坐标搜寻，根据每个响应节点坐标数值相邻的原则，将监测压力信息小于等于一倍的数据划分到一个子集，以此划分若干个子集，根据设定的误差标准，将响应节点相应坐标数值划分为以下四个子集：m1(a35、a34、a30、a32、a33、a31、a29、a27)，m2(a25、a24、a23、a21、a22、a21、a20、a18、a19)，m3(a17、a16、a15、a14、a13)，m4(a12、a11、a10、a08、a09、a07、a03、a01)；
34.其次，通过matlab小波阈值筛选，将在子集中的噪点去掉，通过设置小波过滤中的阈值，筛掉噪点，使整个子集监测节点数值都在设定范围内，将同一子集的监测点数据坐标依次连接成一个封闭区域，有里到外，形成四个封闭区域s1(8.9πcm2)、s2(7.1πcm2)、s3(6.2πcm2)和s4(4πcm2)，给出封闭区域对应的冲击力均值f1(3.45kg)、f1(2.74kg)、f1(1.24kg)合f1(0.85kg)；
35.再次，将通过小波阈值处理的监测节点坐标、节点压力值、跌落高度作为输入值，真实的砝码底面积、砝码理论冲击力作为输出值，带入训练模型，经过小波阈值处理后，作为模型训练集数据，其中，训练模型采用nsga-ii带精英策略的快速非支配排序遗传算法，多目标遗传算法；
36.依次以质量为3kg，截面面积为9πcm2的砝码分别从15cm处、20cm处、25cm处，以质量为2kg，截面面积为6πcm2的砝码分别从10cm处和15cm处跌落至压力传感单元3，重复上述步骤，形成具有100个子集的训练数据库，将监测节点坐标、节点压力值、跌落高度作为输入值，真实的砝码底面积、砝码理论冲击力作为输出值，带入训练模型；
37.将质量为5kg，截面面积为10πcm2的砝码从10cm处跌落至压力传感单元3，将网格节点检测数值带入预测模型，通过预测模型输出数值与真实数据对比(真实的底面面积，跌落冲击力)，若数据存在偏差，通过调整种群迭代次数，控制误差达到最小；
38.将预测模型应用于水射流冲击力试验，当水射流冲击到靶板2上时，根据led灯指示区显示的灯光颜色，调整射流角度，使水射流垂直打击靶心，对水射流流冲击的响应节点数据进行小波阈值降噪处理，通过matlab坐标法划分区域：
39.第一步、根据响应节点坐标筛选监测点数据，数值相差小于0.5的划归为一个子集，通过matlab坐标法由外到里依次创建子集；
40.第二步、采用小波阈值降噪处理每个子集监测点数值，剔除尖锐点，判断最外围的监测点之间数值差异是否小于0.5，如果不是重复上述操作；
41.第三步、将监测点每个子集数值依次连接起来，形成多个封闭区域面积；
42.第四步、将水射流冲击产生的坐标信息，监测数值，带入预测模型；
43.第五步：基于预测模型给出每一个冲击子集面积和冲击力均值。

技术特征：
1.一种水射流冲击传感器，其特征在于，主体结构包括传感器基体及其上设置的靶板，以及靶板表面上设置的led灯指示区和具有栅栏式网格节点的压力传感单元。2.根据权利要求1所述的水射流冲击传感器，其特征在于，传感器基体的表面设置有圆形结构的靶板，内部设置有具有栅栏式网格节点的压力传感单元；靶板的表面从圆心到圆周依次设置有黄色led灯区、绿色led灯区和红色led灯区。3.根据权利要求2所述的水射流冲击传感器，其特征在于，黄色led灯区、绿色led灯区和红色led灯区的面积各占靶板的面积的1/3，三者共同配合构成led灯指示区。4.根据权利要求1-3中任一项所述的水射流冲击传感器，其特征在于，靶板的材质包括透明亚克力；栅栏式网格节点的监测节点呈矩形网格排列，形成栅栏，并对应冲击区域的坐标信息。5.根据权利要求4所述的水射流冲击传感器，其特征在于，在水射流实验室中应用于水射流冲击力试验，当水射流产生的射流水束冲击到靶板表面时，被射流水束冲击到的led灯指示区的led灯亮起；通过led灯亮起的区域，判断射流水束冲击在靶板上的位置；根据靶板冲击面对应的节点坐标信息，经过小波阈值数值处理，得到水射流冲击的面积和压力值。6.根据权利要求5所述的水射流冲击传感器，其特征在于，具体过程如下：第一步、依据响应节点坐标筛选监测点数据，基于matlab坐标搜寻法，每个响应节点的几何坐标唯一，当压力传感单元有数据响应时，根据响应节点几何坐标相邻或相邻数值相差小于0.5的归为一个子集，根据matlab坐标法由外到里依次创建坐标子集；第二步，采用小波阈值降噪处理每个子集监测点数值，判断监测点数值之间的差异是否小于0.5，以剔除尖锐点；第三步、依次连接监测点每个子集数值，形成多个封闭区域；第四步、将冲击产生的坐标信息，监测数值，冲击靶距，初始射流压力带入预测模型；第五步、基于预测模型给出冲击的最大面积和冲击力均值。7.根据权利要求6所述的水射流冲击传感器，其特征在于，进行空气水射流冲击试验时，射流水束冲击到靶板的表面后，根据led灯指示区的显示，调节射流水束的冲击角度，保证测量结果的准确性；具体地，当射流水束冲击到靶板的中心区域时，黄灯亮起；当射流水束冲击到靶板的边缘区域时，红灯亮起；当射流水束冲击到中心区域与边缘区域之间的范围时，绿灯亮起。8.根据权利要求6所述的水射流冲击传感器，其特征在于，进行淹没水射流冲击试验时，高压射流水束从喷嘴中射出，经过设定深度的水到达靶板的表面，由于存在具有设定深度的水，高压射流水束会发生偏转，根据led灯指示区的显示，矫正高压射流水束的射流方向。9.根据权利要求4所述的水射流冲击传感器，其特征在于，校准过程包括以下步骤：第一步、取不同质量和不同底面面积的圆柱形砝码做低落仿真冲击试验，从不同的高度上跌落冲击传感器，得到一系列包括节点压力、节点坐标、跌落高度和跌落时理论冲击力的节点信息，根据节点坐标，基于matlab坐标法，响应节点的坐标是唯一的，通过对响应节点坐标遍历搜寻，根据坐标相邻的原则，将监测压力信息小于等于一倍的数据划分到一个子集，以此划分若干个子集；第二步、采用小波阈值降噪处理各个子集监测压力数值，剔除包括尖锐角的不良坐标
点，判断同一子集监测点之间的压力差值是否小于0.5，小于的话继续第三步，这是由于在砝码跌落仿真试验过程中，监测节点存在数据偏差大的噪点，监测节点位置远远偏出或者超出跌落区域，否则，返回第二步；第三步、经过小波阈值分析处理，将同一子集的监测点数据坐标依次连接成一个封闭区域，有里到外，形成若干个封闭区域，给出封闭区域对应的压力均值；第四步、将监测节点坐标、节点压力值、跌落高度作为输入值，真实的砝码底面积、砝码理论冲击力作为输出值，带入训练模型，经过小波阈值处理后，作为模型训练集数据；其中，模型采用nsga-ii带精英策略的快速非支配排序遗传算法，多目标遗传算法。10.根据权利要求6所述的水射流冲击传感器，其特征在于，运行时：首先，将质量为3.5kg，截面面积为9πcm2的砝码从10cm处跌落至压力传感单元，通过压力传感单元的网格节点监测到一系列坐标点数值，压力传感单元的每个网格节点都有与之对应的几何坐标，得到的跌落后响应节点监测坐标数值；然后，通过matlab坐标搜寻，根据每个响应节点坐标数值相邻的原则，将监测压力信息小于等于一倍的数据划分到一个子集，以此划分若干个子集，根据设定的误差标准，将响应节点相应坐标数值划分为若干个子集；其次，通过matlab小波阈值筛选，将在子集中的噪点去掉，通过设置小波过滤中的阈值，筛掉噪点，使整个子集监测节点数值都在设定范围内，将同一子集的监测点数据坐标依次连接成一个封闭区域，有里到外，形成若干个封闭区域，给出封闭区域对应的冲击力均值；再次，将通过小波阈值处理的监测节点坐标、节点压力值、跌落高度作为输入值，真实的砝码底面积、砝码理论冲击力作为输出值，带入训练模型，经过小波阈值处理后，作为模型训练集数据，其中，训练模型采用nsga-ii带精英策略的快速非支配排序遗传算法，多目标遗传算法；依次以质量为3kg，截面面积为9πcm2的砝码分别从15cm处、20cm处、25cm处，以质量为2kg，截面面积为6πcm2的砝码分别从10cm处和15cm处跌落至压力传感单元，重复上述步骤，形成具有100个子集的训练数据库，将监测节点坐标、节点压力值、跌落高度作为输入值，真实的砝码底面积、砝码理论冲击力作为输出值，带入训练模型；将质量为5kg，截面面积为10πcm2的砝码从10cm处跌落至压力传感单元，将网格节点检测数值带入预测模型，通过预测模型输出数值与真实数据对比，若数据存在偏差，通过调整种群迭代次数，控制误差达到最小；将预测模型应用于水射流冲击力试验，当水射流冲击到靶板上时，根据led灯指示区显示的灯光颜色，调整射流角度，使水射流垂直打击靶心，对水射流流冲击的响应节点数据进行小波阈值降噪处理，通过matlab坐标法划分区域：第一步、根据响应节点坐标筛选监测点数据，数值相差小于0.5的划归为一个子集，通过matlab坐标法由外到里依次创建子集；第二步、采用小波阈值降噪处理每个子集监测点数值，剔除尖锐点，判断最外围的监测点之间数值差异是否小于0.5，如果不是重复上述操作；第三步、将监测点每个子集数值依次连接起来，形成多个封闭区域面积；第四步、将水射流冲击产生的坐标信息，监测数值，带入预测模型；
第五步：基于预测模型给出每一个冲击子集面积和冲击力均值。

技术总结
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种水射流冲击传感器及其使用方法，在靶板表面上设置LED灯指示区，采用具有栅栏式网格节点的压力传感单元，基于不同质量、不同圆底面积的圆柱形砝码，从不同高度跌落冲击靶板，仿真不同压力的水射流冲击靶板，以不同高度跌落的节点压力信息、节点响应坐标、跌落高度数据作为训练数据输入值，理论计算冲击压力，将理论计算冲击面积作为输出值带入多目标快速非支配排序遗传算法模型进行训练，为预测冲击产生的射流区域和有效射流压力均值建立数据库，为不同距离的水射流冲击试验提供预测数值，校核真实试验过程中的小波阈值处理数据，给出不同区域的冲击面积和冲击压力均值。域的冲击面积和冲击压力均值。域的冲击面积和冲击压力均值。


技术研发人员：刘希武 纪伟杰 裴雪辰
受保护的技术使用者：山东铝业职业学院
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/9/20