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中北大学 毕业设计开题报告 学学 生生 姓姓 名名：学学 号号： 系系别别 ：机械工程与自动化学院、机械工程系 专专业业 ：机械设计制造及其自动化 论论 文文 题题 目目： 指 导 教 师指 导 教 师 :教授 2012 年03 月13 日 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文 献综述： 文献综述文献综述 一、本课题的研究背景及意义 随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对 物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的 不断提高， 称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置， 从以前不能称重的大型罐、 料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生 产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器 几乎运用到了所有的称重领域，渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境 保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域，可 以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几 乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的称重传感器。而称重传感器技术的发展 动向是，把称重传感器的准确度、稳定性和可靠性作为极其重要的质量指标 1。 二、本课题国内外研究现状 我国传感器制造技术从六十年代萌芽至今，走过了五十多年的历程。伴随着我国经 济发展，称重传感器取得了长足的进步，为中国计量计量现代化做出了巨大贡献，同时 涌现了常州托利多，中原电测等一大批骨干传感器制造企业，基本上形成了中国称重传 感器业目前的发展格局。面对风起云涌的国内外市场及日新月异的中国经济，我国传感 器的发展依然存在着非常严峻的问题。毛斌和裴薇薇在传感器国内发展现状中指出， 2010 年国家监督抽查了八省市 16 个企业共十六支称重传感器， 合格率 12 支， 合格率为 75%。不合格的原因全部是称重传感器的误差超差。这结果真实的反映了我国称重传感 器的整体技术,工艺和管理水平和发达国家相比还是有很大的差距，但在近年研究中， 还是取得了一定的进步 2。 在传感器的建模过程中，张华，次英等研究了系统辨识建模的方法。目前常用的时 域建模方法有系统辨识方法，沃尔什变化方法，最大熵谱法，自适应方法和神经元方法 等。其中系统辨识建模法是应用最广，发展较成熟的一种建模法，与之相比，沃尔什变 换方法所用数据较少，所建模型的阶数低，但对数据个数要求严格；最大熵谱法属时间 序列分析建模方法，只需传感器动态标定中的，但它建模的准确性不高。神经元方法虽 然具有所建模型阶次低准确度高的优点，但离现实应用还有一定的距离。此文章在研究 各种建模的方法上，提出了先对所测数据进行积分，再用辨识方法进行建模，减少转换 误差，所建模型准确度较高，阶次较低，且较易实现递推算法，为改善传感器动态特性， 实现动态补偿奠定基础 3。 在研究传感器的动态补偿中，黄杭美在 FLANN 传感器动态方法中指出，为满足快速 称重求的要求， 结合遗传算法寻优速度快和函数联接型神经网络有较强的函数逼近能力 的优点，设计了一种基于遗传算法优化的 FLANN 补偿器，实现对称重传感器的动态特性 补偿，采用遗传算法优化 FLANN 的连接权值。此种方法的仿真表明:阶跃响应时间快， 且超调量小，有效地提高了称重传感器的动态响应过程，且方法简单，易于工程实现， 易于实用价值 4。 在称重传感器动态补偿器的一种新的设计方法中， 俞阿龙和李正为了拓展称重传感 器的工作频带，把电荷转移器件用于其动态补偿器的设计中，设计出具有频率特性可调 节的动态补偿器。由于称重传感器的动态特性不理想，输出响应不能精确反应输入量， 在称重传感器后串联一个补偿器即构建一个动态补偿模型， 和传感器一起构成一个理想 的动态测试系统，就可对传感器的动态特性补偿。此文章对称重传感器的动态补偿器的 设计方法进行了深入的研究，把电荷转移器件用于设计中，由于 CTD 器件具有模拟性和 数字性相结合的突出特点，由此而设计的补偿器具有稳定性好，不存在阻抗匹配等优点 5。 国外研究人员 Pasquale Arpaia 等人员在研究称重传感器的过程当中，提出了称 重传感器的一些动态模型的自适应的补偿方法，有系统辨识法，根轨迹法和神经网络的 方法等，在各种各样的算法实现中，即可用软件实现，也可用硬件实现。用设计要基于 传感器的软件方法补偿时，参数设计灵活，使用方便，主要问题是数据处理的实时性问 题；而用硬件补偿时实时性好，但有时电路参数调整比较麻烦。因为动态补偿器的设计 要基于传感器的动态模型，在测量中所测重量将成为传感器参数的一部分，传感器的动 态模型会随着被测重量而变化。 这就要求设计出一些相应的动态补偿器去实现称重过程 中响应的快速性和准确性。而国外仅仅抓住研究课题，在相应的生产领域也设计出了准 确度、稳定性和可靠性都达到一定要求的称重传感器，在产品结构设计与制造工艺中， 吸取了工程化产品设计中的计算机拟实技术和虚拟技术， 加快开发速度， 减少开发风险。 美国 THI 公司研制的 1410 型 5 一 30kg 铝合金称重传感器，准确度等级优于 C3 级，可 承受离心力和机械振动，内装特制的粘性阻尼器，保证称量时有较快的稳定时间，一般 低于 50ms，大大改善了称重传感器的动态特性 6。 三、本课题相关理论综述 称重传感器是用来将重量信号或压力信号转换成电量信号的转换装置 7。称重传感 器采用金属电阻应变片组成测量桥路，利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细，电阻增 加的原理，即金属电阻随所受应变而变化的效应而制成的（应变，就是尺寸的变化） 。 称重传感器进行测量时，我们需要知道的是应变片受应变时的电阻变化。通常总是采用 应变片组成桥式电路（惠斯登电桥） ，将应变片引起的电阻变化转换成电压变化来进行 测量的。称重传感器在制造过程中，为了改善它的性能，特别是改善温度特性，一般要 在应变片电路中附加对零点和灵敏度的温度补偿。即除了应变片外，其中还增加了各种 补偿电阻 8。 零点补偿的目的是尽量减小电桥零点随温度的变化，因此，出应变片本 身的温度自补偿外， 又加入了电阻温度系数和电桥中应变片的温度系数不同的电阻元件 （如铜电阻或镍电阻等） ，以加强补偿作用。灵敏度补偿的目的是减小输出电压随温 度的变化，即补偿弹性体的弹性系数和应变片的灵敏度系数随温度的变化。因此，对电 桥中串接了两个与电桥温度补偿作用相同的电阻。 同时电路中的其它电阻用于将电桥的 初始平衡，额定输出和输入电阻等参数调整到规定的数值。 随着测控技术的发展，对称重传感器的性能提出了越来越高的要求，不仅要求传感 器具有良好的静态特性,而且应具有良好的动态特性 9。 动态特性是指当输入量随时间快 速变化时，输入与输出之间动态关系的数学描述 10。而最为普遍的由普遍的有应变计和 弹性体组成的称重传感器。由于弹性体的阻尼比过小，传感器到达稳定的时间较长，动 态特性较差，难以满足快速测量的要求。提高传感器动态响应的快速性，可以从两方面 入手，一是改变其结构参数和设计，减少中间传递环节，从而提高快速性，二是设计动 态补偿器，串接在传感器之后，以缩短整个测量系统到达稳态的时间 11。这也就要求分 析传感器的动态特性的一些指标：上升时间、峰值时间、最大超调量和调整时间 12。传 感器动态性能的补偿可以归纳为控制系统的设计和校正，用到了零极点配置法的原理 13。此外，了解传感器的动态标定的方法有冲击响应法，阶跃响应法和频率响应法14。 四、作者的观点和主要思路 称重传感器的原理首先要弄清楚，把握了传感器的一些基本知识后，学习动态建模 的基本知识，学会称重传感器的建模方法，了解一些传感器的自适应动态补偿方法，在 建立动态模型的基础上对传感器的一些参数进行分析， 从而设计出称重传感器的动态补 偿器，进行仿真从而得到想要的效果。在称重传感器的动态建模时，要根据力学等基本 理论，对传感器的轮换原理进行分析和抽象，提出模型，列出微分方程。对微分方程进 行拉普拉斯变换，在初始条件为零的情况下，写出传感器的传递函数。得到模型后，要 对模型所涉及的一些参数进行分析和判断，了解一些动态模型的自适应的补偿方法，有 系统辨识法，根轨迹法和神经网络的方法等，从而提高响应的快速性和准确性。在完成 补偿器的基础上， 然后用 MATLAB 软件进行仿真,验证是否缩小了整个系统到达稳态的时 间 15。 参考文献: 1刘九卿应变式称重传感器技术发展概况拓天仪表，2011,11（8） 2毛斌，裴薇薇.称重传感器国内发展现状.建材与装饰，2011, 17(9): 910 3张华， 次英， 谢植传感器动态建模的一种辨识法传感器技术， 2004,23 （1） :38 40 4黄杭美基于 FLANN 的称重传感器动态补偿方法传感器与微系统，2006,25 （8）:2528 5俞阿龙， 李正， 称重传感器动态补偿器一种新的设计方法.电器自动化.2008， 6:88 89 6Pasquale Arpaia，Pasquale Daponte,Domcaico Grimaldi,et al. ANN Based Error Reduction for Experientally Modeled Sensors. IEEE Trans.on Insturmentation and Measurement,2002,51(1):2330 7宋文绪，杨帆传感器与检测技术北京：高等教育出版社 8许华峰，董燕高准确度电阻应变式称重传感器补偿技术衡器2001,7(4):30 9黄俊钦静动态数字模型的实用建模方法北京:机 械工业出版社，1988.8:426 10潘宏侠机械工程测试技术北京国防工业出版社，2011.3:302 11Brignell J B. Software techniques for sensor compensationJ. sensors & Actuators,A25(27):3741 12 徐科军传感器动态特性的使用研究方法.合肥:中国科学技术大学出版 社.1992.2:171 13朱照，张志杰传感器实时动态补偿方法和误差分析传感器与微系统，2010,29 （6）:6970 14H.M.Tong,GArjavalingam,R.D.Haynes,GN.HyerandJ,J.Ritsko.High-tem-per ature Thin-film Pt-Ir Thermocouple with Fast Time Response.Rev. Sci. Instrum.,1987,58(5):875877 15杨叔子，杨克冲机械工程控制基础武汉华中科技大学出版社，2005.7:324 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： 一、本课题要研究或解决的问题 称重传感器是日常生活中常使用的传感器，在一些重大工程经常用到。本课题要求 我们掌握称重传感器的相关知识，具体来说有以下几点： 1. 学习传感器动态特性的基本知识，了解称重传感器的基本工作原理。 2，学习称重传感器动态建模方法，能建立称重传感器的动态模型； 3. 学习传感器自适应动态补偿的基本方法； 4建立称重传感器的动态模型，采用适当的方法设计补偿器； 5.对所设计的称重传感器自适应动态补偿系统进行仿真，验证其有效性。 二、拟采用的研究手段 1.建立称重传感器的动态模型。在了解了称重传感器的知识基础上，建立称重传感 器的动态模型，主要依据的是机理建模法，在称重传感器的动态建模时，要根据力学等 基本理论，对传感器的轮换原理进行分析和抽象，提出模型，列出微分方程。对微分方 程进行拉普拉斯变换，在初始条件为零的情况下，写出传感器的传递函数，从而进行以 下的研究。 2.研究动态模型的动态响应特性。建立相应的的程序用 MATLAB 软件仿真分析称重 传感器的动态特性：上升时间、峰值时间、最大超调量和调整时间，从而判断动态性能 是否符合要求。 3.设计动态补偿器。用零极点配置