基于DLS的智能電子分析天平研究.pdf

1、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)、科學與技術研究領域的標準質(zhì)量計量器具。
　　隨著科學技術的不斷發(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

2、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、磁鋼磁路結構模型以及相關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

3、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)羅伯威爾機構的偏載誤差產(chǎn)生機理；建立了機械彈性體的關鍵部件簧

4、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靈敏度和重復性設計指標，確定各類簧片的尺寸參數(shù)設計要求；設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構，用以消除DLS的非線性誤差，并對磁鋼磁路結構各部件的尺寸參數(shù)進行了優(yōu)化；構建了基于ANSYS Workbench的機械彈性體受力模型和磁鋼磁路結構模型，對各關鍵部件尺寸參數(shù)設計的合理性進行了仿真實驗驗證。
　?。?）為使得DLS

5、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，結合脈沖寬度調(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)，構建了動態(tài)校正前的DLS閉環(huán)系統(tǒng)結構；深入分析了動態(tài)校正前閉環(huán)系統(tǒng)

6、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)器電路設計和相關參數(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。
　?。?）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

7、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，總結了機械彈性體材料的工藝處理方法；詳細分析了DLS磁路結構的溫度漂移和時間漂移機理，對磁路結構關鍵部件進行材料選型，提出了磁路結構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，對關鍵電子元器件進行選型，歸納了

8、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參考。
　?。?）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、動圈以及關鍵

9、電子元器件的相關穩(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/T26497-2011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。
　

10、?。?）為進一步保證電子分析天平的質(zhì)量計量性能和測試結果的完整性，提出了抗噪設計方法和測試結果的不確定度模型。設計了一種基于連續(xù)時間（continuous time，CT）Σ-Δ調(diào)制結構的 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；在此基礎上，研制了一種具有

11、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果的不確定度模型。
　　測試結果表明，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