谐振式压力和流量传感器动态特性研究

谐振式传感器具有较高的测量精度和灵敏度，并能直接输出频率信号，这些优点使其在国防、国民经济建设中得到了广泛应用。谐振筒压力传感器和谐振式科氏质量流量传感器是压力和流量测量领域中具有代表性的谐振式传感器，对测量精度需求的不断提高，要求其具有更好的动态性能。课题针对具有共同谐振工作机理的谐振筒压力传感器和谐振式科氏质量流量传感器，采用参数激励等理论方法对其进行动态分析，建立谐振子参数激励模型，并得到相应的数值解；通过建立有限元模型，进行动态仿真，分析现有结构的频率响应特性；利用分析结果对传感器结构进行优化设计，通过实验对理论分析结果进行验证；根据输出信号的特征，设计自适应动态补偿算法，使传感器的动态性能得到进一步提升。课题的研究成果可应用拓展到其它同类谐振式传感器，用于动态特性评估，为提高谐振式传感器的动态性能提供一种解决方法。

谐振式传感器具有精度高、稳定性好和直接频率输出等优点，在国防和国民经济建设中得到广泛应用。谐振筒压力传感器和谐振式科氏质量流量传感器(Corioils Mass Flowmeter, CMF)是在航空和工业现场广泛应用的代表性谐振式传感器。随着应用需求的不断提升，对其动态性能提出更高要求。. 由于传统的谐振筒压力传感器动态性能较差，不能满足现代航空领域应用的高机动性能要求。针对这一问题，对传统的谐振筒压力传感器进行结构分析与改进，建立传感器的动态数学模型，利用结构优化和数字补偿的方法对其进行动态补偿。完成工作包括：.(1)建立谐振筒压力传感器参数激励的理论模型，并对其参数激励方程的数值解进行仿真分析；(2)分析传统谐振筒压力传感器的结构尺寸对其动态特性的影响；.(3)改进谐振筒压力传感器的结构，对改进前后的传感器进行动态校准对比实验测试，并绘制幅频曲线，得出结构改进前后谐振筒压力传感器的截止频率；.(4)通过正弦压力标定实验装置和激波管实验装置进行动态性能测试，结果表明，改进后的谐振筒压力传感器的通频带从3.8Hz提高到22.42Hz，改善了传感器的动态特性。. 谐振式科氏质量流量计的动态特性直接决定批量控制的精度。针对CMF在批量控制过程中的流量阶跃信号的响应问题开展研究，完成工作包括：.(1)根据CMF流量阶跃响应动态实验要求，改造静态称重法流量校准装置，得到良好的流量阶跃激励信号，准确获取实验数据并计算动态重复性与动态线性度等指标；.(2)采用系统时域辨识算法建立CMF的动态数学模型，设计动态补偿数字滤波器，并对算法进行仿真验证； .(3)利用改造的CMF动态测试平台，完成全量程范围内的正、负阶跃响应实验，获取有效的响应数据；.(4)将自适应动态补偿方法应用于CMF，研究自适应最小二乘法和最小均方递推法及其收敛性和收敛速度，得到动态补偿数字滤波器的模型；.(5)设计基于BP(Back-Propagation，反向传播)神经网络的动态补偿方法，在CMF输出后端增加一个神经网络动态补偿环节，采用加入动量因子的梯度下降法对神经网络参数训练，实现模型的自整定；.(6)设计基于DSP和FPGA的动态补偿硬件系统，实现CMF的实时自适应动态补偿。实验结果表明，补偿后不同流量时CMF的动态响应时间均减小50%左右，补偿效果明显。