中北大学毕业设计

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):9～10[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）:25～28[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[6]Pasquale Arpaia，Pasquale Daponte,Domcaico Grimaldi,et al.ANN Based Error Reduction for Experientally Modeled Sensors.IEEE Trans.on Insturmentation and Measurement,2002,51(1):23～30[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[11]Brignell J B.Software techniques for sensor compensation[J].sensors& Actuators,A25(27):37～41[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）:69～70[14]H.M.Tong,G..Arjavalingam,R.D.Haynes,G..N.HyerandJ,J.Ritsko.High-tem-per ature Thin-film Pt-Ir Thermocouple with Fast Time Response.Rev.Sci. Instrum.,1987,58(5):875～877[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，2005.7:324２．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。

用零极点配置法建立动态补偿器，其基本原理是设补偿器的传递函数是传感器传递函数的倒数，则整个测量系统的传递函数近似为1,具有理想的频率响应特性。

零极点配置法是以传感器的数学模型为基础，以所要求的动态指标为目标，消去传感器的的零点和极点，换上合适的极点设计动态补偿器。

所设计的动态补偿器串联在称重传感器之后，再研究其传感器的动态特性，建立相应的的程序用MATLAB软件仿真看是否达到了其改善的效果。

指导教师意见：指导教师：年月日所在系审查意见：系主任：年月日。