電子分析天平是一種融合機械、材料、電子電路、信息處理、精密制造等多個學科技術(shù)于一體的尖端精密計量儀器,是廣泛應用于量值傳遞、食品安全、生物醫(yī)藥、化學分析、宇航器械、貴重物品質(zhì)量控制等商貿(mào)、科學與技術(shù)研究領(lǐng)域的標準質(zhì)量計量器具。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提升,各行各業(yè)對物品的質(zhì)量計量要求越來越高,世界各國對電子分析天平的需求量顯著增加。由于國內(nèi)材料制造、機械加工、零部件裝配以及工藝處理水平低,且缺乏對電子分析天平核心部件——電磁力平衡傳感器的機械彈性體受力模型、位移檢測裝置、磁鋼磁路結(jié)構(gòu)模型以及相關(guān)外部控制電路等的理論研究,在非線性校正、溫度漂移補償、時間漂移補償、重力加速度漂移補償以及稱量數(shù)字信號濾波算法等方面依然落后,使得國內(nèi)電子分析天平的質(zhì)量計量性能遠遠落后于國外產(chǎn)品,產(chǎn)品競爭力弱、市場占有率低,致使進口電子天平價格居高不下,嚴重制約著國內(nèi)電子天平行業(yè)的發(fā)展。伴隨著近年來原材料價格和勞動力成本的上漲,國內(nèi)天平企業(yè)迫切需要自主研制一款具有國際先進水平的智能電子分析天平。針對國內(nèi)與國際先進電子稱量技術(shù)水平的差距,本論文以基于超級單體雙杠桿傳感器(Double Lever Sensor,DLS)的電子分析天平為研究對象,主要展開了如下幾個方面的基礎(chǔ)研究工作:(1)針對國內(nèi)研制的電磁力平衡傳感器稱量精度和穩(wěn)定性差的問題,提出了 DLS的優(yōu)化設(shè)計方法。闡述了 DLS的工作原理,分析了 DLS機械彈性體內(nèi)羅伯威爾機構(gòu)的偏載誤差產(chǎn)生機理;建立了機械彈性體的關(guān)鍵部件簧片、耦合單元和橫梁的受力模型,在選定合金材料后有效兼顧DLS靈敏度和重復性設(shè)計指標,確定各類簧片的尺寸參數(shù)設(shè)計要求:設(shè)計了一種精密的位移檢測裝置,保證分辨力稱量下的最小位移量檢測;提出了一種雙磁鋼磁路結(jié)構(gòu),用以消除DLS的非線性誤差,并對磁鋼磁路結(jié)構(gòu)各部件的尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化;構(gòu)建了基于ANSYS Workbench的機械彈性體受力模型和磁鋼磁路結(jié)構(gòu)模型,對各關(guān)鍵部件尺寸參數(shù)設(shè)計的合理性進行了仿真實驗驗證。(2)為使得DLS閉環(huán)系統(tǒng)具有優(yōu)良的過渡過程品質(zhì)和控制精度,保證電子分析天平的質(zhì)量計量精度和穩(wěn)定性,提出了閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計和整定方法。詳細推導了 DLS機械彈性體的動力學方程和位置檢測裝置的傳遞函數(shù),以光電轉(zhuǎn)換電路輸出誤差電壓的信號放大電路形成的P型調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ),結(jié)合脈沖寬度調(diào)制器(Pulse Width Modulator,PWM)的工作時序波形推導外部控制電路各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),構(gòu)建了動態(tài)校正前的DLS閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu);深入分析了動態(tài)校正前閉環(huán)系統(tǒng)的過渡過程,歸納了閉環(huán)系統(tǒng)前向通道與反饋通道傳遞系數(shù)對閉環(huán)系統(tǒng)的影響,導出了閉環(huán)系統(tǒng)對動態(tài)校正調(diào)節(jié)器類型要求;選擇PID調(diào)節(jié)器作為DLS閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)校正環(huán)節(jié),在保證閉環(huán)系統(tǒng)具有滿意過渡過程的前提下,完成了 PID調(diào)節(jié)器電路設(shè)計和相關(guān)參數(shù)的整定;初步分析了閉環(huán)系統(tǒng)的誤差來源,簡要給出了電子分析天平中漂移和噪聲誤差的處理方法。(3)針對溫度、時間和空間的變化對電子分析天平質(zhì)量計量的復雜影響,分別梳理和提出了各類漂移產(chǎn)生機理和相關(guān)工藝處理方法。深入研究了 DLS機械彈性體的溫度漂移和時間漂移機理,對機械彈性體進行材料選型,總結(jié)了機械彈性體材料的工藝處理方法;詳細分析了 DLS磁路結(jié)構(gòu)的溫度漂移和時間漂移機理,對磁路結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件進行材料選型,提出了磁路結(jié)構(gòu)材料的工藝處理方法:詳細闡述了外部控制電路中用于驅(qū)動動圈并使其在磁場作用下產(chǎn)生電磁力矩的恒流源(即電磁力矩生成恒流源)的工作原理,細致探究了電磁力矩生成恒流源的溫度漂移和時間漂移機理,對關(guān)鍵電子元器件進行選型,歸納了電路電子元器件的工藝處理方法;論述了重力加速度的產(chǎn)生機理,概括了重力加速度變化的原因及其對電子分析稱量的影響,為提升電子分析天平漂移補償和校準方法的研究提供了較為全面的理論支持與技術(shù)參考。(4)針對漂移對電子分析天平質(zhì)量計量準確度的影響,提出了有效的漂移補償和校準方法。導出了漂移影響下的電子分析天平質(zhì)量計量模型:設(shè)計了一種基于PWM鏡像脈沖的驅(qū)動電路,消除了載流動圈動態(tài)熱效應的影響,根據(jù)DLS的機械彈性體、磁鋼、動圈以及關(guān)鍵電子元器件的相關(guān)穩(wěn)定性參數(shù)進行了溫度漂移和時間漂移模型的簡化,減小了漂移補償算法的復雜度;設(shè)計了一種基于PT1000的高精度磁鋼溫度測量電路,分別提出了分段線性加權(quán)溫度漂移補償算法、基于示值變化速率閾值的漂移跟蹤算法、基于判斷閾值的重力加速度校準方法,有效降低甚至消除了漂移對電子分析天平計量性能的影響;在國家標準《GB/T 26497-2011電子天平》規(guī)定的工作環(huán)境下,測試驗證了電子分析天平漂移補償和校準方法的準確性與有效性。(5)為進一步保證電子分析天平的質(zhì)量計量性能和測試結(jié)果的完整性,提出了抗噪設(shè)計方法和測試結(jié)果的不確定度模型。設(shè)計了一種基于連續(xù)時間(continuous time,CT)Σ-A調(diào)制結(jié)構(gòu)的DLS閉環(huán)系統(tǒng),建立和優(yōu)化了一種雙SincN型復合濾波器,顯著降低了閉環(huán)系統(tǒng)中熱電磁干擾噪聲的影響;根據(jù)外部環(huán)境的震動對天平質(zhì)量計量的影響特性,提出了基于牛頓插值FFT的抗振濾波算法,有效抑制了閉環(huán)系統(tǒng)中力干擾噪聲的影響;在此基礎(chǔ)上,研制了一種具有漂移自動補償、故障自診斷、智能化校準及多種應用功能的智能電子分析天平,其稱量穩(wěn)定性好、響應速度快、準確度高;最后,參照國家標準《GB/T26497-2011電子天平》進行智能電子分析天平的示值誤差、偏載誤差、重復性、鑒別力和蠕變與回零等質(zhì)量計量性能指標的測試,并參照國家標準《JJG99-2006砝碼檢定規(guī)程》,根據(jù)測試誤差來源建立了測試結(jié)果的不確定度模型。測試結(jié)果表明,本文研制的智能電子分析天平在規(guī)定條件下全量程示值誤差為0.5mg,偏載誤差為0.2mg,重復性為0.3mg,鑒別力測試結(jié)果變化明顯,其主要性能指標滿足國家標準《GB/T 26497-2011電子天平》規(guī)定的Ⅰ級天平的誤差要求,且具備國際先進智能電子分析天平的智能功能。
【學位單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TH715.116
【部分圖文】：

基于ＤＬＳ的智能電子分析天平研究．２電子分析天平的稱量原理??由于電子分析天平通常采用電磁力平衡傳感器作為稱重傳感器，需要引的外部控制電路構(gòu)成巧環(huán)系統(tǒng)Ｗ實現(xiàn)重物的正常稱量，并保證質(zhì)量計量的穩(wěn)定性閉環(huán)系統(tǒng)控制電路的結(jié)構(gòu)取決于電磁力平衡傳感器載流動圈方式，據(jù)此電子分析天平的稱量原理可分為平穩(wěn)電流工作模式（Ｓｔａｔｉｏｎｕｒｒｅｎｔ?Ｍｏｄｅ）和脈沖電流工作模式（化Ｉｓｅ?Ｃｕｒｒｅｎｔ?Ｍｏｄｅ）?２種?１２６’８９＇９＂］。??．２．１平穩(wěn)電流工作模式的稱量原理??在平穩(wěn)電流工作模式下，閉環(huán)系統(tǒng)的控制電路通過ＰＩＤ?（即比例、積分、）調(diào)節(jié)器將光柵的位置變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸出，直接驅(qū)動電磁為平衡傳感圈，從而產(chǎn)生電磁力矩與負載重物的重力力矩相平衡ｉｗ＇ｗｉ。此時，與載流聯(lián)的取樣電阻兩端的電壓信號正比于加載的質(zhì)量，該電圧信號經(jīng)信號調(diào)理至ＡＤＣ進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，ＭＣＵ將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理并通過顯示負載重物的質(zhì)量值。平穩(wěn)電流工作模式下電子分析天平結(jié)構(gòu)如圈１．２所示。??§＂１，?／巧盤??■…?自?乙—????－?；?／電磁力平銜傳感器??＼?巧梁化電位巧！差分電流??＼?＾?－．?．－?Ｖ。７?傳芳器??????＿?＾?Ｐｉ／?光電轉(zhuǎn)換?＇?＂Ｄ??含Ｉ難巧／沿鷄店二＾勺＇－＇???Ｉ?＇■／?７?－ｉ???????ｒ?導聴體瞄巧?動圈?一？？?Ｐ?？ＡＤＣ?－＞?ＭＣＵ?－？?＋２００．００００ｇ??，（－：耳Ｘ樣電阻化？，，｜?＇?＊?＇?＾?＇??——?－．．．．．——?－??Ｖ??圖１．２平穩(wěn)電流工作模式下的電子分析天平結(jié)構(gòu)??電磁力平衡傳感器的主體部分

壓信號的計數(shù)脈沖寬度正比于負載重物的質(zhì)量，Ｍ?Ｃ?Ｕ將計數(shù)器或Ｃ?Ｐ?Ｌ?Ｄ計數(shù)得到??的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理并通過顯示器輸出負戟重物的質(zhì)量值。脈沖電流工作模??式下電子分析天平結(jié)構(gòu)如圖１．３所示。??ｉｌ，＂，?／種盤??Ｉ?／電疲力平銜傳感器??％￣????Ｉ?／??４心瞄；巧化電位巧?董分電流?．一．?．?．．－－ＰＷＭ?—?—??；?Ｔ?傳ｆ器?／?領(lǐng)喧堅里軍器從ｔ較器；??１化電轉(zhuǎn)換?Ｉ?」—＊■ｐｉｎ￣?ｌ／ｍｊ—??！支…＇?Ｕ－巴巧？電路?鬧節(jié)器??ｉ?；邁：１?導控體渡ｉ陋?Ｊ?＊?Ｉ????Ｉ?廣．Ｉ?－？?ＭＣＵ?－？?＾ＯＯ．ＯＯＯＯｇ??－?－?－??恒流源／，ｌ？?（立Ｊ?Ｉ．單－ｙ．Ｌｙ．ｊ?????圖１．３脈沖電流工作模式下的電子分析天平結(jié)構(gòu)??當砰盤上加載質(zhì)量為Ｗ／的負載重物后，電磁力平銜傳感器的平衡狀態(tài)改變，??橫梁上的光柵產(chǎn)生位移。２個光電二極管Ｄ１、Ｄ２接收到發(fā)光二級管ＤＯ發(fā)出的光量??產(chǎn)生偏差，使得光電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生正比于光柵位移量的差分電流，經(jīng)ＰＩＤ調(diào)節(jié)器??后轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該輸出電壓與ＰＷＭ中的領(lǐng)齒波電壓通過比較器比較后形成調(diào)??寬脈沖電圧信號，通過ＷＩ轉(zhuǎn)換電路控制與恒流源／，相連的晶體管通斷，進而調(diào)節(jié)??Ａ在一個調(diào)制周期內(nèi)流過動圈的時間Ｔ，從而使得流過動圈的平均電流／與ｒ成正??比。載流動圈在磁路工作氣隙磁場的作用下產(chǎn)生與重力力矩Ｍｇ方向相反的電磁力??矩＾？／，，使光柵位移量減小，直至〇１、〇２接收得到的光量差為０。此時，電磁力平??衡傳感器重新處于平衡狀態(tài)

逗授辯近；本資??；〇；〇？？食；？今??圖１．４傳統(tǒng)分體式電路力平衡傳感器的零部件??戀圓??ａ）國內(nèi)產(chǎn)品?ｂ）國外產(chǎn)品??圖１．５組裝完成后的分體式電磁力平衡傳感器??此外，由于國產(chǎn)的分體式電磁力平衡傳感器主要依靠仿制Ｓａ＾ｏｒｉｕｓ和Ｍｅｔｔｌｅｒ??Ｔｏｌｅｄｏ這２家公司的早期產(chǎn)品，缺乏對關(guān)鍵部件的材料特性、加工和處理工藝、??機械彈性體稱重機構(gòu)受力模型、磁路結(jié)構(gòu)模型等深入的基礎(chǔ)研究，導致電子分析??天平的稱量精度和穩(wěn)定性遠不如國外的同類產(chǎn)品，進一步提高了電子分析天平研??究和開發(fā)的難度ＰＵＳ’Ｗ。??１．３丄２單模塊電磁力平衡傳感器??在２０世紀９０年代中后期，Ｓａｒ化ｒｉｕｓ、ＭｅｔｔｌｅｒＴｏｌｅｄｏ和Ｓｈｉｍａｄｚｕ公司分別采??用高精度的超高速＝維立體加工技術(shù)和電火花線切割技術(shù)對完整的高強度航空侶??合金材料進行一次加工成型，率先研發(fā)和生產(chǎn)出單模塊電磁力平衡傳感器。該傳??１２??
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本文編號：2857299