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(jī)械、材料、電子電路、信息處理、精密制造等多個(gè)學(xué)科技術(shù)于一體的尖端精密計(jì)量儀器，是廣泛應(yīng)用于量值傳遞、食品安全、生物醫(yī)藥、化學(xué)分析、宇航器械、貴重物品質(zhì)量控制等商貿(mào)、科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計(jì)量器具。
　　隨著科學(xué)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(jì)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(jī)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(jī)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(bǔ)償、時(shí)間漂移補(bǔ)償、重力加速度漂移補(bǔ)償以及稱量數(shù)字信號(hào)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(jì)量性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外產(chǎn)品，產(chǎn)品競爭力弱、市場占有率低，致使進(jìn)口電子天平價(jià)格居高不下，嚴(yán)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(jià)格和勞動(dòng)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(jìn)水平的智能電子分析天平。
　　針對國內(nèi)與國際先進(jìn)電子稱量技術(shù)水平的差距，本論文以基于超級(jí)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(gè)方面的基礎(chǔ)研究工作：
　?。?）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(jì)方法。闡述了DLS的工作原理，分析了DLS機(jī)械彈性體內(nèi)羅伯威爾機(jī)構(gòu)的偏載誤差產(chǎn)生機(jī)理；建立了機(jī)械彈性體的關(guān)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(fù)性設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定各類簧片的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)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(jìn)行了優(yōu)化；構(gòu)建了基于ANSYS Workbench的機(jī)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(jì)的合理性進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)量精度和穩(wěn)定性，提出了閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和整定方法。詳細(xì)推導(dǎo)了DLS機(jī)械彈性體的動(dòng)力學(xué)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(hào)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(shí)序波形推導(dǎo)外部控制電路各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)校正前的DLS閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；深入分析了動(dòng)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(dǎo)出了閉環(huán)系統(tǒng)對動(dòng)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(dòng)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(jì)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。
　?。?）針對溫度、時(shí)間和空間的變化對電子分析天平質(zhì)量計(jì)量的復(fù)雜影響，分別梳理和提出了各類漂移產(chǎn)生機(jī)理和相關(guān)

7、工藝處理方法。深入研究了DLS機(jī)械彈性體的溫度漂移和時(shí)間漂移機(jī)理，對機(jī)械彈性體進(jìn)行材料選型，總結(jié)了機(jī)械彈性體材料的工藝處理方法；詳細(xì)分析了DLS磁路結(jié)構(gòu)的溫度漂移和時(shí)間漂移機(jī)理，對磁路結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)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(xì)闡述了外部控制電路中用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(xì)致探究了電磁力矩生成恒流源的溫度漂移和時(shí)間漂移機(jī)理，對關(guān)鍵電子元器件進(jìn)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(jī)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(bǔ)償和校準(zhǔn)方法的研究提供了較為全面的理論支持與技術(shù)參考。
　?。?）針對漂移對電子分析天平質(zhì)量計(jì)量準(zhǔn)確度的影響，提出了有效的漂移補(bǔ)償和校準(zhǔn)方法。導(dǎo)出了漂移影響下的電子分析天平質(zhì)量計(jì)量模型；設(shè)計(jì)了一種基于PWM鏡像脈沖的驅(qū)動(dòng)電路，消除了載流動(dòng)圈動(dòng)態(tài)熱效應(yīng)的影響，根據(jù)DLS的機(jī)械彈性體、磁鋼、動(dòng)圈以及關(guān)鍵

9、電子元器件的相關(guān)穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行了溫度漂移和時(shí)間漂移模型的簡化，減小了漂移補(bǔ)償算法的復(fù)雜度；設(shè)計(jì)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(bǔ)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(zhǔn)方法，有效降低甚至消除了漂移對電子分析天平計(jì)量性能的影響；在國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T26497-2011電子天平》規(guī)定的工作環(huán)境下，測試驗(yàn)證了電子分析天平漂移補(bǔ)償和校準(zhǔn)方法的準(zhǔn)確性與有效性。
　

10、　（5）為進(jìn)一步保證電子分析天平的質(zhì)量計(jì)量性能和測試結(jié)果的完整性，提出了抗噪設(shè)計(jì)方法和測試結(jié)果的不確定度模型。設(shè)計(jì)了一種基于連續(xù)時(shí)間（continuous time，CT）Σ-Δ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(fù)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(dòng)對天平質(zhì)量計(jì)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

11、漂移自動(dòng)補(bǔ)償、故障自診斷、智能化校準(zhǔn)及多種應(yīng)用功能的智能電子分析天平，其稱量穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高；最后，參照國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T26497-2011電子天平》進(jìn)行智能電子分析天平的示值誤差、偏載誤差、重復(fù)性、鑒別力和蠕變與回零等質(zhì)量計(jì)量性能指標(biāo)的測試，并參照國家標(biāo)準(zhǔn)《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