烘干法水分测定仪的系统设计与优化

摘要

水分含量是物质物理化学性质的重要特征表现之一，水分含量的高低直接决定农作物的生长情况与存储时间、同时也与工业生产中的产品的成形度与质量有关，对生产生活意义重大。通过对物质水分的检测与控制可有效提高生产产量、增长物质储藏时间。烘干法是一种水分测量的标准方法，应变式传感器是目前水分测定仪常用称重传感器，但以应变式传感器作为称量单元的烘干法水分测定仪系统中，普遍存在测量重复性差，感量低，温度控制不稳定等缺陷。
　　针对烘干法测试水分过程中存在的温度控制精度较低，称重易受环境影响等问题，本文设计一款基于应变式称重传感器的数字式水分测定仪，对水分测量原理、测量精度与补偿方法进行深入探讨与研究。
　　本文首先阐述水分检测的重要性与研究意义，介绍常用的水分检测方法，总结国内外水分检测的研究现状，分析国内水分测试技术中的优缺点以及影响因素；其次，设计以低功耗高性能单片机 MSP430F5438A为主控芯片的220g/1mg水分测定仪，阐述称重模块、温控模块与管理模块等部分工作原理、硬件设计以及软件优化设计流程；然后，在分析传统应变式传感器非线性误差输出的产生机理基础上，提出一种基于 PSO-LSSVM（particle swarm optimization-least squares support vector machine，PSO-LSSVM）算法的称重传感器非线性校正方案。该方案采用噪声协方差可变的卡尔曼滤波算法对称重传感器输出数据进行滤波，减小噪声的影响后，再将滤波后的数值与环境温度值作为回归参量，建立基于 LSSVM算法的水分测定仪称重模型，利用变异PSO算法对模型进行参数寻优。同时，结合分段式PID算法对烘箱温度实现精确控制，实现水分含量的准确测量。
　　最后，本文通过实验测试水分测定仪各项性能指标，结果表明水分测定仪的水分含量重复性误差小于0.5％、满足2mg感量检测精度，示值重复性误差等各项指标均符合国家标准，且具有较好的稳定性与较高的性能。结尾总结全文的创新点与不足，并对将来的研究与改进提出部分意见。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 水分测量的研究背景与意义

1.2 水分测量常用方法

1.3 水分测定仪分类与国内外发展现状

1.4 水分测定仪测量影响因素分析

1.5 项目来源与主要研究内容

第2章 水分测定仪工作原理与硬件设计

2.1 水分测试仪器的技术指标

2.2 水分测定仪的系统结构设计

2.3 水分测定仪工作原理

2.4 称重模块电路设计

2.5 温度检测与控制模块电路设计

2.6 管理模块电路设计

第3章 水分测定仪的软件优化设计

3.1 水分测定仪的主程序软件设计

3.2 水分测定仪称重模块软件优化设计

3.3 温度控制模块软件优化设计

3.4 界面管理软件设计

第4章 水分测定仪非线性误差补偿研究与优化

4.1 水分测定仪称重传感器模型结构

4.2 支持向量机与优化算法分析

4.3 基于PSO-LSSVM的称重传感器非线性误差优化补偿

4.4 称重传感器非线性误差优化补偿流程

4.5 非线性误差补偿实验步骤与结果分析

第5章 水分测定仪性能测试与误差分析

5.1 水分测定仪计量性能要求

5.2 水分测定仪的误差实验

5.3 水分测定仪实验结果误差分析

结论

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表学术论文目录

附录 B 水分测定仪实物图