中北大学毕业设计.doc

你如果认识从前的我，也许会原谅现在的我。 中北大学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：系 别：机械工程与自动化学院、机械工程系专 业：机械设计制造及其自动化论文题目：指导教师:教授 2012 年 03月 13日毕 业 设 计 开 题 报 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201111（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): 9103张华次英谢植传感器动态建模的一种辨识法传感器技术200423（1）:38404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200625（8）:25285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.20086:88896Pasquale ArpaiaPasquale DaponteDomcaico Grimaldiet al. ANN Based Error Reduction for Experientally Modeled Sensors. IEEE Trans.on Insturmentation and Measurement200251(1):23307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20017(4):309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1988.8:42610潘宏侠机械工程测试技术北京国防工业出版社2011.3:30211Brignell J B. Software techniques for sensor compensationJ. sensors & ActuatorsA25(27):374112 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 .1992.2:17113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201029（6）:697014H.M.TongG.ArjavalingamR.D.HaynesG.N.HyerandJJ.Ritsko.High-tem-perature Thin-film Pt-Ir Thermocouple with Fast Time Response. Rev. Sci. Instrum.198758(5):87587715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 业 设 计 开 题 报 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