基于PSD光杠桿自平衡精密電磁天平的研究*

張會玲,鮑丙豪,吳 迪,鄧曉蓉

(江蘇大學機械工程學院,江蘇 鎮江 212013)

電磁天平是一種集傳感器技術、電磁學、模擬與數字電子技術、智能信息處理、材料、結構力學、精密機械與制造等多學科的高性能的精密計量儀器,也是廣泛應用于國防、醫藥、質量控制、實驗室等領域中的質量計量的標準器具[1-4]。

電磁天平的核心部件是電磁力傳感器,包括橫梁組件,位移傳感器,磁力結構,其位移傳感器是對橫梁組件所產生的位移進行檢測,它的精度對電磁天平的精度起到決定性作用,并要求具有結構簡單、穩定性好、抗干擾能力強等特點[1-5]。目前國內大多數廠家選用硅光電池位移傳感器作為位置檢測傳感器,硅光電池位移傳感器是利用光欄把橫梁位置偏移轉換成光斑的位移,再把光斑位移投射到光電池的感光面上,由于硅電池輸出的電壓與其感光面積的變化成正比,因此可實現位置偏移的檢測[2-5]。同時仍存在結構復雜,易受環境光、振動等干擾,可靠性低,尤其是長時間稱量穩定性差等問題。

因此本文在現有的電磁天平基礎上,提出并設計了由PSD、光杠桿與橫梁組件構成的微位移傳感器來檢測電磁力傳感器中橫梁組件的位移,并與電磁力傳感器組成閉環系統,使原有的位移量進一步放大,并能提高檢測精度,優化了電磁天平的整體性能,并通過實驗進行驗證。

1 電磁天平的工作原理

電磁天平一般由電磁力傳感器與信號處理系統構成的閉環系統,單片機構成的顯示系統組成,其中信號處理系統包括光電轉換電路,PID和驅動電路,單片機構成的顯示系統包括低通濾波電路,數模轉換電路,微處理器系統等,結構如圖1所示。質量為m的被稱物使電磁力傳感器中的橫梁發生位移,該位移量由硅光電池構成的位移傳感器進行檢測,硅光電池輸出的電壓信號經PID調節與驅動電路,變成與被稱物的質量m成正比的電流I并流經電磁力傳感器中的線圈,載流線圈在永磁鐵的磁場作用下,將產生向下的安培力F,使電磁力傳感器的橫梁向下移動,直到橫梁回到初始位置。此時,安培力F的力矩與被稱物的重力G的力矩相等,使電磁力傳感器中的橫梁組件處于平衡狀態[5-10]。

線圈中的安培力F可表示為:

F=B⊥IL=BILcosα0

(1)

式中:B為永磁體氣隙中的磁感應強度;L為載流線圈的導線總長度;α0為橫梁組件與水平面形成的夾角。

圖1 采用硅光電池作為位移傳感器的電磁秤的工作原理圖

電磁天平空載時,由橫梁兩端力矩平衡時可得:

BI0Lrfcosα0+mcg(rccosα0+rhsinα0)=mpgrmcosα0

(2)

式中:I0為空載時線圈的電流;rf為線圈所產生的安培力的力臂;mc為包括線圈的橫梁組件的質量;rc為包括線圈的橫梁組件質心至支點的水平距離;rh為包括線圈的橫梁組件質心至支點的垂直距離;rm為物盤到支點的距離;mp為載物盤的質量。

當被稱物的質量為m時,由橫梁兩端力矩平衡時可得:

BILrfcosα0+mcg(rccosα0+rhsinα0)=
mgrmcosα0+mpgrmcosα0

(3)

式中:I為加載重物后線圈的電流。

由式(2)和式(3)可知,電磁天平在空載時系統保持平衡,當質量為m的被稱物放到載物盤后,被稱物重力產生的力矩與安培力產生的力矩增量相等,因此線圈中的電流可以表征被稱物的質量。

可得線圈中的電流I可表達為:

(4)

為保證電磁天平空載時可正常工作,式(4)的等效質量值m0必須滿足條件:m0>0,以使空載(m=0)下仍能為系統提供一個初始電流I0=m0grm/(BLrf),使得電磁力傳感器滿足力矩平衡。

式(4)為電磁天平質量計量的數學模型[9-10]。線圈中電流的大小可通過檢測取樣電阻上的電壓來表示,該電壓信號經過濾波電路、數模轉換電路,單片機系統處理后在LCD中顯示質量值

2 位移檢測機構

橫梁偏轉過程中所產生的位移需要用位移傳感器進行檢測,傳統的檢測方式為差動式硅光電池來進行檢測,但存在結構復雜,易受環境光、振動等干擾,可靠性低,尤其是長時間稱量穩定性差的問題。我們提出采用PSD光杠桿法來測量橫梁加載后所產生的位移,具有可以將位移量進一步放大和提高測量精度的優點。

2.1 PSD的輸出特性及調理電路

圖2為PSD的結構示意圖,PSD光敏面有兩個電極1和2,當有入射光照射時,其兩個電極輸出的電流分別為I1和I2。M為PSD光敏面中心點到電極間的距離,x為入射光點到光敏面中心點的距離。根據PSD的工作原理可得,當光強不變時,電極輸出電流與入射光點到光敏面中心點的距離x呈線性關系[11-13],則:

(5)

由式(5)可確定光斑能量中心相對于器件中心位置x,它只與I1、I2電流的差值及和值之間的比值有關,與入射光能的大小無關。并根據上式可設計其位置轉換電路,原理圖如圖3所示,是由加法電路、減法電路、除法電路組成[12-14]。

圖2 PSD的結構示意圖

圖4 PSD光杠桿與橫梁組件構成微位移傳感器

由圖3可知,轉換電路簡單穩定,由于PSD只與光的能量重心有關,且光敏面無死區,可連續測量光斑位置,分辨率高等特點[15-16],所以將PSD組成的微位移傳感器應用到電磁天平系統中,可以提高其檢測的分辨率,優化系統的整體性能。

圖3 PSD傳感器的轉換電路圖

2.2 PSD光杠桿法組成的微位移傳感器

本文采用PSD光杠桿與橫梁組件構成微位移傳感器,直接檢測橫梁的位移量。如圖3所示,將平面鏡安裝在橫梁上,調整激光器與PSD的位置,使之在系統平衡時,激光器發射的光經平面鏡反射到PSD的光敏面上。當被稱物放在物盤上時,由于重力作用,橫梁發生偏轉,平面鏡隨之發生傾斜,引起反射光發生偏轉,使投射到PSD的光敏面上的光點位置發生變化,從而引起PSD輸出變化,將此信號經過信號變換、PID調節與驅動電路后,通入線圈,并在線圈中產生反向安培力,以使得橫梁回到初始位置,實現系統的再次平衡。將線圈中的電流通入取樣電阻中,然后對取樣電阻的電壓值進行濾波,再經A/D轉換送入到微處理系統,經處理后在顯示屏上顯示其被稱物的質量數值。

如圖4所示,可以對PSD的位置進行調整,來實現對位移進一步放大。本文采用PSD光杠桿法測量橫梁的位移量,具有可將位移量進一步放大的優點,同時PSD的測量精度高,可以提高系統的測量精度,因此進一步優化了系統的整體性能。

3 實驗結果

在室溫條件下,對樣機進行試驗,實驗內容主要包括:①在加載過程中,對位移傳感器的輸出波形進行采集;②對樣機進行全量程測試檢驗,并給出樣機的驗證結果。

3.1 位移傳感器的輸出

利用示波器對樣機中位移傳感器的輸出電壓進行波形采集,從空載到加載標準200 g砝碼再到空載的過程中,傳感器的輸出波形如圖5所示。

圖5 位移傳感器輸出波形

如圖5所示,當空載情況下,橫梁處于平衡狀態,傳感器輸出穩定電壓,當將200 g砝碼放在載物盤后,橫梁發生偏轉,引起位移傳感器輸出發生變化,經調節后,橫梁再次達到平衡,輸出值再次穩定,符合電磁天平的數學模型。

3.2 電磁天平的實驗

對樣機進行全量程測試檢驗,試驗砝碼為F1等級的標準砝碼,實驗數據如表1所示。由實驗數據,利用最小二乘原理得到如圖6所示的擬合直線,其擬合方程為:

y=1.000 002x-0.000 728

(6)

式中:因變量y為樣機的實際顯示輸出值(g),自變量x為標準砝碼值(g)。

圖6 最小二乘擬合直線

由此可得樣機的靜態特性指標為:

①線性度:

(7)

②滯后:

(8)

③重復性:

根據貝塞爾公式:

(9)

算得σmax=0.002 4。

(10)

表1 樣機檢測結果

4 結論

本文通過對電磁天平結構和原理的分析與研究,設計了一種基于PSD光杠桿自平衡精密電磁天平,即采用PSD光杠桿組成的微位移傳感器來替代原有的光電元件,可實現對位移量的進一步放大并能提高測量精度,使電磁天平的整體性能得到優化,通過對樣機進行多次試驗,測得樣機系統總精度為0.003 2%,具有一定的推廣意義。