振荡天平的微质量传感元件及驱动电路优化设计

作     者：李志磊 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程永强

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：振荡天平法 烟尘颗粒物浓度 有限元分析 渐进结构优化 数字闭环电路 

摘      要：振荡天平微质量传感器利用振荡元件谐振频率与质量之间的固有关系对微质量进行称量。内部中空的微质量传感元件上端覆有滤膜,用于获取烟尘气中的颗粒物,并在线称量颗粒物。为进一步提高微质量传感器的灵敏度及简化驱动电路,本文对其核心部件微质量传感元件进行了仿真优化设计,并且设计了基于STM32的数字闭环驱动电路。论文的主要工作如下:(1)微质量传感元件的运动分析。通过数学模型分析了微质量传感元件的振荡状态,着重对阻尼振荡及强迫振荡进行了分析对比。为后续微质量传感元件优化及数字驱动电路设计提供了理论基础。(2)质量传感元件的仿真优化。使用Solidworks进行微质量传感元件的模型组件工作,并使用有限元分析软件ANSYS对模型进行模态分析。选材方面,对常用材料进行了仿真实验,结果表明镁合金性能优异且耐用,最终选定镁合金为微质量传感元件的选材。选型方面,改进了复合双管微质量传感元件的尺寸设计,并对不同夹角的复合双管振荡元件进行了仿真实验分析,探究了双管夹角与振荡元件整体性能的关系。进一步改进复合双管微质量传感元件的整体设计,完成了振荡元件的初步优化。(3)微质量传感元件的进一步优化。采用渐进结构优化法对微质量传感元件进行进一步优化设计,添加激振力分析振荡元件的应力应变结果。在确保元件整体结构性能几乎无损失的情况下,实现了对元件多余材料的剔除。并对振荡元件不同部位材料删除方案进行了模态分析,实验对比显示,渐进结构优化法可有效实现振荡元件的轻质化。最终实现了振荡元件减重9.8%,质量灵敏度及频降比分别提高了58.1%,43.6%。振荡元件整体性能提升显著。(4)基于STM32的数字闭环驱动电路设计。以STM32为核心,采用AD9833芯片构成频率发生电路,实现了对振荡元件的初始强制驱动。运用自动增益控制电路实现了驱动信号的稳定输出。谐振频率的捕获利用了强迫振荡的相频特性,采用二分法算法在-90度处实现了对谐振频率的快速捕获。针对实验中振荡元件相频特性曲线异常的现象,通过改变激振信号的检测方法,由测电压法改为使用反相线性霍尔元件直接测量激振器另一端的磁场强度。有效减小了由检测所带来的相频特性曲线误差。针对霍尔元件输出波形异常的现象,设计了方波转换电路,有效地解决了问题。本文对振荡天平中微质量传感元件进行了优化,效果提升明显,验证了渐进结构优化法在实现振荡元件轻质化的有效性。所设计的数字闭环驱动电路避免了传统模拟闭环电路起振困难,易停振的缺陷。且无需加入测频电路,大大简化了整体电路的复杂度,具有一定实用价值。