基于DLS的智能电子分析天平研究

发布时间：2020-10-26 17:36

　　 电子分析天平是一种融合机械、材料、电子电路、信息处理、精密制造等多个学科技术于一体的尖端精密计量仪器,是广泛应用于量值传递、食品安全、生物医药、化学分析、宇航器械、贵重物品质量控制等商贸、科学与技术研究领域的标准质量计量器具。随着科学技术的不断发展和工业化水平的不断提升,各行各业对物品的质量计量要求越来越高,世界各国对电子分析天平的需求量显著增加。由于国内材料制造、机械加工、零部件装配以及工艺处理水平低,且缺乏对电子分析天平核心部件——电磁力平衡传感器的机械弹性体受力模型、位移检测装置、磁钢磁路结构模型以及相关外部控制电路等的理论研究,在非线性校正、温度漂移补偿、时间漂移补偿、重力加速度漂移补偿以及称量数字信号滤波算法等方面依然落后,使得国内电子分析天平的质量计量性能远远落后于国外产品,产品竞争力弱、市场占有率低,致使进口电子天平价格居高不下,严重制约着国内电子天平行业的发展。伴随着近年来原材料价格和劳动力成本的上涨,国内天平企业迫切需要自主研制一款具有国际先进水平的智能电子分析天平。针对国内与国际先进电子称量技术水平的差距,本论文以基于超级单体双杠杆传感器(Double Lever Sensor,DLS)的电子分析天平为研究对象,主要展开了如下几个方面的基础研究工作:(1)针对国内研制的电磁力平衡传感器称量精度和稳定性差的问题,提出了 DLS的优化设计方法。阐述了 DLS的工作原理,分析了 DLS机械弹性体内罗伯威尔机构的偏载误差产生机理;建立了机械弹性体的关键部件簧片、耦合单元和横梁的受力模型,在选定合金材料后有效兼顾DLS灵敏度和重复性设计指标,确定各类簧片的尺寸参数设计要求:设计了一种精密的位移检测装置,保证分辨力称量下的最小位移量检测;提出了一种双磁钢磁路结构,用以消除DLS的非线性误差,并对磁钢磁路结构各部件的尺寸参数进行了优化;构建了基于ANSYS Workbench的机械弹性体受力模型和磁钢磁路结构模型,对各关键部件尺寸参数设计的合理性进行了仿真实验验证。(2)为使得DLS闭环系统具有优良的过渡过程品质和控制精度,保证电子分析天平的质量计量精度和稳定性,提出了闭环系统动态校正环节的设计和整定方法。详细推导了 DLS机械弹性体的动力学方程和位置检测装置的传递函数,以光电转换电路输出误差电压的信号放大电路形成的P型调节器为基础,结合脉冲宽度调制器(Pulse Width Modulator,PWM)的工作时序波形推导外部控制电路各环节的传递函数,构建了动态校正前的DLS闭环系统结构;深入分析了动态校正前闭环系统的过渡过程,归纳了闭环系统前向通道与反馈通道传递系数对闭环系统的影响,导出了闭环系统对动态校正调节器类型要求;选择PID调节器作为DLS闭环系统的动态校正环节,在保证闭环系统具有满意过渡过程的前提下,完成了 PID调节器电路设计和相关参数的整定;初步分析了闭环系统的误差来源,简要给出了电子分析天平中漂移和噪声误差的处理方法。(3)针对温度、时间和空间的变化对电子分析天平质量计量的复杂影响,分别梳理和提出了各类漂移产生机理和相关工艺处理方法。深入研究了 DLS机械弹性体的温度漂移和时间漂移机理,对机械弹性体进行材料选型,总结了机械弹性体材料的工艺处理方法;详细分析了 DLS磁路结构的温度漂移和时间漂移机理,对磁路结构关键部件进行材料选型,提出了磁路结构材料的工艺处理方法:详细阐述了外部控制电路中用于驱动动圈并使其在磁场作用下产生电磁力矩的恒流源(即电磁力矩生成恒流源)的工作原理,细致探究了电磁力矩生成恒流源的温度漂移和时间漂移机理,对关键电子元器件进行选型,归纳了电路电子元器件的工艺处理方法;论述了重力加速度的产生机理,概括了重力加速度变化的原因及其对电子分析称量的影响,为提升电子分析天平漂移补偿和校准方法的研究提供了较为全面的理论支持与技术参考。(4)针对漂移对电子分析天平质量计量准确度的影响,提出了有效的漂移补偿和校准方法。导出了漂移影响下的电子分析天平质量计量模型:设计了一种基于PWM镜像脉冲的驱动电路,消除了载流动圈动态热效应的影响,根据DLS的机械弹性体、磁钢、动圈以及关键电子元器件的相关稳定性参数进行了温度漂移和时间漂移模型的简化,减小了漂移补偿算法的复杂度;设计了一种基于PT1000的高精度磁钢温度测量电路,分别提出了分段线性加权温度漂移补偿算法、基于示值变化速率阈值的漂移跟踪算法、基于判断阈值的重力加速度校准方法,有效降低甚至消除了漂移对电子分析天平计量性能的影响;在国家标准《GB/T 26497-2011电子天平》规定的工作环境下,测试验证了电子分析天平漂移补偿和校准方法的准确性与有效性。(5)为进一步保证电子分析天平的质量计量性能和测试结果的完整性,提出了抗噪设计方法和测试结果的不确定度模型。设计了一种基于连续时间(continuous time,CT)Σ-A调制结构的DLS闭环系统,建立和优化了一种双SincN型复合滤波器,显著降低了闭环系统中热电磁干扰噪声的影响;根据外部环境的震动对天平质量计量的影响特性,提出了基于牛顿插值FFT的抗振滤波算法,有效抑制了闭环系统中力干扰噪声的影响;在此基础上,研制了一种具有漂移自动补偿、故障自诊断、智能化校准及多种应用功能的智能电子分析天平,其称量稳定性好、响应速度快、准确度高;最后,参照国家标准《GB/T26497-2011电子天平》进行智能电子分析天平的示值误差、偏载误差、重复性、鉴别力和蠕变与回零等质量计量性能指标的测试,并参照国家标准《JJG99-2006砝码检定规程》,根据测试误差来源建立了测试结果的不确定度模型。测试结果表明,本文研制的智能电子分析天平在规定条件下全量程示值误差为0.5mg,偏载误差为0.2mg,重复性为0.3mg,鉴别力测试结果变化明显,其主要性能指标满足国家标准《GB/T 26497-2011电子天平》规定的Ⅰ级天平的误差要求,且具备国际先进智能电子分析天平的智能功能。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH715.116
【部分图文】：

基于ＤＬＳ的智能电子分析天平研究．２电子分析天平的称量原理??由于电子分析天平通常采用电磁力平衡传感器作为称重传感器，需要引的外部控制电路构成巧环系统Ｗ实现重物的正常称量，并保证质量计量的稳定性闭环系统控制电路的结构取决于电磁力平衡传感器载流动圈方式，据此电子分析天平的称量原理可分为平稳电流工作模式（Ｓｔａｔｉｏｎｕｒｒｅｎｔ?Ｍｏｄｅ）和脉冲电流工作模式（化Ｉｓｅ?Ｃｕｒｒｅｎｔ?Ｍｏｄｅ）?２种?１２６’８９＇９＂］。??．２．１平稳电流工作模式的称量原理??在平稳电流工作模式下，闭环系统的控制电路通过ＰＩＤ?（即比例、积分、）调节器将光栅的位置变化量转换为电压输出，直接驱动电磁为平衡传感圈，从而产生电磁力矩与负载重物的重力力矩相平衡ｉｗ＇ｗｉ。此时，与载流联的取样电阻两端的电压信号正比于加载的质量，该电圧信号经信号调理至ＡＤＣ进行模数转换，ＭＣＵ将转换成的数字信号进行数据处理并通过显示负载重物的质量值。平稳电流工作模式下电子分析天平结构如圈１．２所示。??§＂１，?／巧盘??■…?自?乙—????－?；?／电磁力平衔传感器??＼?巧梁化电位巧！差分电流??＼?＾?－．?．－?Ｖ。７?传芳器??????＿?＾?Ｐｉ／?光电转换?＇?＂Ｄ??含Ｉ難巧／沿鷄店二＾勺＇－＇???Ｉ?＇■／?７?－ｉ???????ｒ?导聴体瞄巧?动圈?一？？?Ｐ?？ＡＤＣ?－＞?ＭＣＵ?－？?＋２００．００００ｇ??，（－：耳Ｘ样电阻化？，，｜?＇?＊?＇?＾?＇??——?－．．．．．——?－??Ｖ??图１．２平稳电流工作模式下的电子分析天平结构??电磁力平衡传感器的主体部分

压信号的计数脉冲宽度正比于负载重物的质量，Ｍ?Ｃ?Ｕ将计数器或Ｃ?Ｐ?Ｌ?Ｄ计数得到??的数字信号进行数据处理并通过显示器输出负戟重物的质量值。脉冲电流工作模??式下电子分析天平结构如图１．３所示。??ｉｌ，＂，?／种盘??Ｉ?／电疲力平衔传感器??％￣????Ｉ?／??４心瞄；巧化电位巧?董分电流?．一．?．?．．－－ＰＷＭ?—?—??；?Ｔ?传ｆ器?／?領喧坚里軍器从ｔ较器；??１化电转换?Ｉ?」—＊■ｐｉｎ￣?ｌ／ｍｊ—??！支…＇?Ｕ－巴巧？电路?闹节器??ｉ?；迈：１?导控体渡ｉ陋?Ｊ?＊?Ｉ????Ｉ?广．Ｉ?－？?ＭＣＵ?－？?＾ＯＯ．ＯＯＯＯｇ??－?－?－??恒流源／，ｌ？?（立Ｊ?Ｉ．單－ｙ．Ｌｙ．ｊ?????图１．３脉冲电流工作模式下的电子分析天平结构??当砰盘上加载质量为Ｗ／的负载重物后，电磁力平衔传感器的平衡状态改变，??横梁上的光栅产生位移。２个光电二极管Ｄ１、Ｄ２接收到发光二级管ＤＯ发出的光量??产生偏差，使得光电转换电路产生正比于光栅位移量的差分电流，经ＰＩＤ调节器??后转换成电压输出。该输出电压与ＰＷＭ中的領齿波电压通过比较器比较后形成调??宽脉冲电圧信号，通过ＷＩ转换电路控制与恒流源／，相连的晶体管通断，进而调节??Ａ在一个调制周期内流过动圈的时间Ｔ，从而使得流过动圈的平均电流／与ｒ成正??比。载流动圈在磁路工作气隙磁场的作用下产生与重力力矩Ｍｇ方向相反的电磁力??矩＾？／，，使光栅位移量减小，直至〇１、〇２接收得到的光量差为０。此时，电磁力平??衡传感器重新处于平衡状态

逗授辩近；本资??；〇；〇？？食；？今??图１．４传统分体式电路力平衡传感器的零部件??戀圓??ａ）国内产品?ｂ）国外产品??图１．５组装完成后的分体式电磁力平衡传感器??此外，由于国产的分体式电磁力平衡传感器主要依靠仿制Ｓａ＾ｏｒｉｕｓ和Ｍｅｔｔｌｅｒ??Ｔｏｌｅｄｏ这２家公司的早期产品，缺乏对关键部件的材料特性、加工和处理工艺、??机械弹性体称重机构受力模型、磁路结构模型等深入的基础研究，导致电子分析??天平的称量精度和稳定性远不如国外的同类产品，进一步提高了电子分析天平研??究和开发的难度ＰＵＳ’Ｗ。??１．３丄２单模块电磁力平衡传感器??在２０世纪９０年代中后期，Ｓａｒ化ｒｉｕｓ、ＭｅｔｔｌｅｒＴｏｌｅｄｏ和Ｓｈｉｍａｄｚｕ公司分别采??用高精度的超高速＝维立体加工技术和电火花线切割技术对完整的高强度航空侣??合金材料进行一次加工成型，率先研发和生产出单模块电磁力平衡传感器。该传??１２??
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本文编号：2857299