《諧振式壓力和流量感測器動態特性研究》是依託北京航空航天大學，由鄭德智擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：諧振式壓力和流量感測器動態特性研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：鄭德智
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
諧振式感測器具有較高的測量精度和靈敏度，並能直接輸出頻率信號，這些優點使其在國防、國民經濟建設中得到了廣泛套用。諧振筒壓力感測器和諧振式科氏質量流量感測器是壓力和流量測量領域中具有代表性的諧振式感測器，對測量精度需求的不斷提高，要求其具有更好的動態性能。課題針對具有共同諧振工作機理的諧振筒壓力感測器和諧振式科氏質量流量感測器，採用參數激勵等理論方法對其進行動態分析，建立諧振子參數激勵模型，並得到相應的數值解；通過建立有限元模型，進行動態仿真，分析現有結構的頻率回響特性；利用分析結果對感測器結構進行最佳化設計，通過實驗對理論分析結果進行驗證；根據輸出信號的特徵，設計自適應動態補償算法，使感測器的動態性能得到進一步提升。課題的研究成果可套用拓展到其它同類諧振式感測器，用於動態特性評估，為提高諧振式感測器的動態性能提供一種解決方法。
結題摘要
諧振式感測器具有精度高、穩定性好和直接頻率輸出等優點，在國防和國民經濟建設中得到廣泛套用。諧振筒壓力感測器和諧振式科氏質量流量感測器(Corioils Mass Flowmeter, CMF)是在航空和工業現場廣泛套用的代表性諧振式感測器。隨著套用需求的不斷提升，對其動態性能提出更高要求。由於傳統的諧振筒壓力感測器動態性能較差，不能滿足現代航空領域套用的高機動性能要求。針對這一問題，對傳統的諧振筒壓力感測器進行結構分析與改進，建立感測器的動態數學模型，利用結構最佳化和數字補償的方法對其進行動態補償。完成工作包括： (1)建立諧振筒壓力感測器參數激勵的理論模型，並對其參數激勵方程的數值解進行仿真分析；(2)分析傳統諧振筒壓力感測器的結構尺寸對其動態特性的影響； (3)改進諧振筒壓力感測器的結構，對改進前後的感測器進行動態校準對比實驗測試，並繪製幅頻曲線，得出結構改進前後諧振筒壓力感測器的截止頻率； (4)通過正弦壓力標定實驗裝置和激波管實驗裝置進行動態性能測試，結果表明，改進後的諧振筒壓力感測器的通頻帶從3.8Hz提高到22.42Hz，改善了感測器的動態特性。諧振式科氏質量流量計的動態特性直接決定批量控制的精度。針對CMF在批量控制過程中的流量階躍信號的回響問題開展研究，完成工作包括： (1)根據CMF流量階躍回響動態實驗要求，改造靜態稱重法流量校準裝置，得到良好的流量階躍激勵信號，準確獲取實驗數據並計算動態重複性與動態線性度等指標； (2)採用系統時域辨識算法建立CMF的動態數學模型，設計動態補償數字濾波器，並對算法進行仿真驗證； (3)利用改造的CMF動態測試平台，完成全量程範圍內的正、負階躍回響實驗，獲取有效的回響數據； (4)將自適應動態補償方法套用於CMF，研究自適應最小二乘法和最小均方遞推法及其收斂性和收斂速度，得到動態補償數字濾波器的模型； (5)設計基於BP(Back-Propagation，反向傳播)神經網路的動態補償方法，在CMF輸出後端增加一個神經網路動態補償環節，採用加入動量因子的梯度下降法對神經網路參數訓練，實現模型的自整定； (6)設計基於DSP和FPGA的動態補償硬體系統，實現CMF的實時自適應動態補償。實驗結果表明，補償後不同流量時CMF的動態回響時間均減小50%左右，補償效果明顯。
