針對真空度測量精度低的現(xiàn)狀，提出一種真空度測量精度改善方法。以熱偶規(guī)為研究對象，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)真空度測量系統(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)。對三種算法由測試樣本進(jìn)行測試，三種算法訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)能較大程度地提高真空度測量精度，受熱絲電流、熱絲冷阻干擾影響大大減小；而且最速下降法對應(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)整法對應(yīng)的輸出值波動(dòng)最小，波動(dòng)量小于0.01。

　　目前真空測量的精度很低，一般會導(dǎo)致20%的誤差。提高真空測量的精度和速度一直是真空測量關(guān)注的重要內(nèi)容。提高真空測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)信號轉(zhuǎn)換電路兩方面來實(shí)現(xiàn)。真空規(guī)管結(jié)構(gòu)對真空測量的影響很大,不同的測量結(jié)構(gòu)對應(yīng)于不同的測量原理，導(dǎo)致不同的測量效果。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)仍能輸出較精確的真空度測量值。

1、真空測量系統(tǒng)原理及框圖設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以熱偶規(guī)ZJ-54D 為對象進(jìn)行分析。熱偶規(guī)工作原理分析: 在熱偶規(guī)測量范圍內(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)勢僅與真空度有關(guān)，根據(jù)熱電動(dòng)勢與真空度之間對應(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。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，也會對電動(dòng)勢大小產(chǎn)生相應(yīng)影響。由于交叉干擾的存在，最終導(dǎo)致熱電動(dòng)勢與壓強(qiáng)之間的關(guān)系偏離規(guī)管特性曲線，從而降低熱偶規(guī)的測量精度。本真空度測量系統(tǒng)以單個(gè)規(guī)管為對象，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真空度測量的影響，將加熱電流、熱絲冷阻和熱電動(dòng)勢信號接入信息處理網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)輸入為3 個(gè)信號，其中U3 為被測熱電動(dòng)勢的電壓輸出信號，U1、U2 為2個(gè)非目標(biāo)參量的檢測信號，網(wǎng)絡(luò)輸出的初始熱電動(dòng)勢為Ec，根據(jù)熱電動(dòng)勢和壓強(qiáng)之間的特性曲線求出被測壓強(qiáng)。輸出量Ec為被測熱電動(dòng)勢的單值函數(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目標(biāo)量E，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)量測量精度的提高。

圖1 真空度測量系統(tǒng)框圖

2、真空度測量系統(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)對被測信息進(jìn)行分析處理，可以提高測量精度。從預(yù)測電動(dòng)勢的角度出發(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)勢預(yù)測模型，以達(dá)到提高測量精度的效果。輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)由輸入信號的個(gè)數(shù)確定即加熱電流、熱絲冷阻、熱電動(dòng)勢，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)測輸出的電動(dòng)勢，則輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)m= 1，其真空度測量系統(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)最為關(guān)鍵的步驟，本文采用試湊法確定最佳隱節(jié)點(diǎn)數(shù)。試湊法是確定最佳隱節(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)對應(yīng)不同的樣本具有不同的誤差，以多對訓(xùn)練樣本中最大者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)總誤差最小時(shí)對應(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)。

圖2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

　　針對真空度測量精度不高的問題，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)測樣本數(shù)據(jù)采用三種算法對網(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量BP 網(wǎng)絡(luò)。由測試數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，三種算法訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)較原測量數(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)量法對應(yīng)的測量輸出數(shù)據(jù)波動(dòng)量較最速下降法小，而其中自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率調(diào)整法對應(yīng)的測量輸出數(shù)據(jù)波動(dòng)量最小，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。