淺析電子天平的電磁平衡技術

李郝鵬

(沈陽計量測試院，遼寧　沈陽　110000)

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淺析電子天平的電磁平衡技術

李郝鵬

(沈陽計量測試院，遼寧沈陽110000)

電子天平目前廣泛應用于企業和實驗室測定物體的質量。電子天平的核心部件是稱重傳感器，而應用最廣泛的電磁傳感器就是應用了電磁平衡技術。本文就電磁平衡技術進行了簡單的分析闡述。

電子天平；線圈；電磁平衡

天平作為一種廣泛使用的計量器具，被大家所熟知。通常天平分為機械天平和電子天平兩大類。其中機械天平應用杠桿平衡原理，電子天平則主要由秤盤、稱重傳感器、位置檢測器、PID調節器、功率放大器、低通濾波器、模數(A/D)轉換器、微計算機、顯示器、機殼、底腳等部件組成。其工作原理見圖1。

圖1　電子天平的工作原理

電子天平的核心部件是稱重傳感器，主要有應變式傳感器、電容式傳感器、電磁式傳感器三種。最常使用的就是電磁式傳感器，如圖2，應用的就是電磁平衡技術。

電磁平衡技術，就是利用磁場中流過的電流所產生的力來平衡作用于被稱物質量的重力，利用磁懸原理的電子天平在結構上通常采用恒彈性簧片作為彈性支點，他與梁桿組成平行四邊行的羅帕爾機構，在電路

圖2　電磁式傳感器示意圖

上運用閉環式電磁力平衡原理，即用電磁力平衡負荷量來取得平衡，測量發生電磁力所需電量，是在動態平衡下通過光電傳感器檢出位移信號，經前置放大，PID調解器，功率放大器放大后轉換成電流，輸入到線圈中，該電流所產生的力來平衡加載物的重量，采用零位測定法，其測量精度高，這個電流經一高精度取樣電阻轉換成電壓信號，通過A/D轉換器變成數字量送入計算機進行加處理，最后顯示其質量結果。

根據物理學中電流的力效應原理，處于磁場中通過電流的導線或線圈將產生一種電磁力，其方向可用左手定則來判定，假設通過線圈電流的方向I和磁場方向B如圖3所示。

圖3　線圈電流和磁場示意圖

則線圈電磁力F的方向向上，其大小關系式有：

F=K1BLI

式中K1為常數(與使用單位制有關)。B為磁感應強度，L為導線長度，I為通過導線電流的強度。假設通過線圈電流的方向和磁場方向如圖3所示，則線圈的磁力方向向上，其大小關系式有：

E=K1BπDWI

(1)

式中K1為常數，B為磁鋼中的磁感應強度，D為磁鋼中線圈的直徑，W為線圈的匝數，I為通過線圈的電流。對某一線圈來說，D和W是一定的，所以(1)式可以變為：

F=K2BI

(2)

對某一磁鋼來說，B是一定的，可見B為恒定時(2)式可以改寫成：

D=K3I

(3)

式中K3=K2B=常數，由(3)可見在磁場中通過電流的線圈所產生的電磁力與流過的電流強度成正比，由圖2可以看出秤盤通過支架連桿與線圈相連，這樣秤盤上被稱物體的重力mg通過連桿支架作用于線圈上，方向向下，這是磁場中線圈內若有電流通過，則線圈將產生一個電磁力F，設計時可以使電磁力F方向向上，使其大小為：

F=mg

(4)

這時，電磁力F與秤盤上被稱物重力mg大小相等，方向相反而平衡在彈簧片的作用下，使秤盤支架回復到原來的位置，這種處理方法被稱為回零法。由(3)式和(4)式可得：

F=K3I=mg ，即I=Km

(5)

式中K=g/K3=常數，由(5)可以得出重要的結論：測定物體的質量如果是采用以上電磁力平衡方式的話，則在電磁中流過線圈的電流I就與被稱物體的質量成正比，我們知道，被稱物體的質量有大有小，如果相應的使通過線圈的電流I也有大有小，如果相應的使通過線圈的電流I也有大有小，即使通過線圈的電流隨著被稱物體質量的變化而成正比地變化，那么就可以使通過此電流的線圈所產生的力與相應的被稱物體的重力相平衡。現在許多電子天平就是采用電流控制電路等環節來實現這種關系的，這也是目前電子天平最基本的工作原理。

雖然電子天平在設計時使電流通過線圈所產生的電磁力與秤盤上被稱物體的重力大小相等方向相反而平衡，在彈性簧片的作用下，使秤盤支架回復到原來的位置，即回零式，但實際上秤盤及連在一起的線圈會產生極微小的位移S，他與被稱物體的質量成正比，即：

S=Km

設位移信號通過光電傳感器變成電信號，經前置放大，取樣保持電路，經PID調節器動態調節后，得到一個大小隨被稱物體質量不同而成正比例變化的模擬電壓信號，此電壓信號變換成電流信號，通過功率放大器驅動線圈，產生一個大小與被稱物體重力相等方向的力F，最終使線圈支架達到平衡狀態。

[1]高平.電子天平的基本結構和原理[J].衡器，2012，41(12)：33-34.[2]吳燦林.電子天平的工作原理及常見故障分析[J].企業技術開發月刊，2014(4)：101-102.

Electromagnetic Force Balance Technology of Electronic Balance

LIHao-peng

(Shenyang Metrology Testing Institute，Shenyang 110000,China)

The electronic balance is widely used in the enterprise and the laboratory to measure the quality of the object.The core component of the electronic balance is the weighing sensor,and the most widely used electromagnetic sensor is the application of the electromagnetic balance technology.In this paper,a simple analysis of the electromagnetic balancing technology is described.

electronic balance;coil;electromagnetic balance

1004-289X(2016)02-0104-02

TM93

B

2016-02-14