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(zhèn)江 212013)

電磁天平是一種集傳感器技術(shù)、電磁學、模擬與數(shù)字電子技術(shù)、智能信息處理、材料、結(jié)構(gòu)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(yīng)用于國防、醫(yī)藥、質(zhì)量控制、實驗室等領(lǐng)域中的質(zhì)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(jié)構(gòu),其位移傳感器是對橫梁組件所產(chǎn)生的位移進行檢測,它的精度對電磁天平的精度起到?jīng)Q定性作用,并要求具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等特點[1-5]。目前國內(nèi)大多數(shù)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(zhuǎn)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(xiàn)位置偏移的檢測[2-5]。同時仍存在結(jié)構(gòu)復雜,易受環(huán)境光、振動等干擾,可靠性低,尤其是長時間稱量穩(wěn)定性差等問題。

因此本文在現(xiàn)有的電磁天平基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計了由PSD、光杠桿與橫梁組件構(gòu)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(huán)系統(tǒng),使原有的位移量進一步放大,并能提高檢測精度,優(yōu)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(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng),單片機構(gòu)成的顯示系統(tǒng)組成,其中信號處理系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換電路,PID和驅(qū)動電路,單片機構(gòu)成的顯示系統(tǒng)包括低通濾波電路,數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,微處理器系統(tǒng)等,結(jié)構(gòu)如圖1所示。質(zhì)量為m的被稱物使電磁力傳感器中的橫梁發(fā)生位移,該位移量由硅光電池構(gòu)成的位移傳感器進行檢測,硅光電池輸出的電壓信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)與驅(qū)動電路,變成與被稱物的質(zhì)量m成正比的電流I并流經(jīng)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(chǎn)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(tài)[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(yīng)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(chǎn)生的安培力的力臂;mc為包括線圈的橫梁組件的質(zhì)量;rc為包括線圈的橫梁組件質(zhì)心至支點的水平距離;rh為包括線圈的橫梁組件質(zhì)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(zhì)量。

當被稱物的質(zhì)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(tǒng)保持平衡,當質(zhì)量為m的被稱物放到載物盤后,被稱物重力產(chǎn)生的力矩與安培力產(chǎn)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(zhì)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(zhì)量值m0必須滿足條件:m0>0,以使空載(m=0)下仍能為系統(tǒng)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(zhì)量計量的數(shù)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(jīng)過濾波電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路,單片機系統(tǒng)處理后在LCD中顯示質(zhì)量值

2 位移檢測機構(gòu)

橫梁偏轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的位移需要用位移傳感器進行檢測,傳統(tǒng)的檢測方式為差動式硅光電池來進行檢測,但存在結(jié)構(gòu)復雜,易受環(huán)境光、振動等干擾,可靠性低,尤其是長時間稱量穩(wěn)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(chǎn)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(yōu)點。

2.1 PSD的輸出特性及調(diào)理電路

圖2為PSD的結(jié)構(gòu)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(jù)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(guān)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(guān),與入射光能的大小無關(guān)。并根據(jù)上式可設(shè)計其位置轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖

圖4 PSD光杠桿與橫梁組件構(gòu)成微位移傳感器

由圖3可知,轉(zhuǎn)換電路簡單穩(wěn)定,由于PSD只與光的能量重心有關(guān),且光敏面無死區(qū),可連續(xù)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(yīng)用到電磁天平系統(tǒng)中,可以提高其檢測的分辨率,優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

圖3 PSD傳感器的轉(zhuǎn)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(gòu)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(diào)整激光器與PSD的位置,使之在系統(tǒng)平衡時,激光器發(fā)射的光經(jīng)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(fā)生偏轉(zhuǎn),平面鏡隨之發(fā)生傾斜,引起反射光發(fā)生偏轉(zhuǎn),使投射到PSD的光敏面上的光點位置發(fā)生變化,從而引起PSD輸出變化,將此信號經(jīng)過信號變換、PID調(diào)節(jié)與驅(qū)動電路后,通入線圈,并在線圈中產(chǎn)生反向安培力,以使得橫梁回到初始位置,實現(xiàn)系統(tǒng)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入到微處理系統(tǒng),經(jīng)處理后在顯示屏上顯示其被稱物的質(zhì)量數(shù)值。

如圖4所示,可以對PSD的位置進行調(diào)整,來實現(xiàn)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(yōu)點,同時PSD的測量精度高,可以提高系統(tǒng)的測量精度,因此進一步優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能。

3 實驗結(jié)果

在室溫條件下,對樣機進行試驗,實驗內(nèi)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(jié)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(tài),傳感器輸出穩(wěn)定電壓,當將200 g砝碼放在載物盤后,橫梁發(fā)生偏轉(zhuǎn),引起位移傳感器輸出發(fā)生變化,經(jīng)調(diào)節(jié)后,橫梁再次達到平衡,輸出值再次穩(wěn)定,符合電磁天平的數(shù)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(shù)據(jù)如表1所示。由實驗數(shù)據(jù),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(tài)特性指標為:

①線性度:

(7)

②滯后:

(8)

③重復性:

根據(jù)貝塞爾公式:

(9)

算得σmax=0.002 4。

(10)

表1 樣機檢測結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過對電磁天平結(jié)構(gòu)和原理的分析與研究,設(shè)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(xiàn)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(yōu)化,通過對樣機進行多次試驗,測得樣機系統(tǒng)總精度為0.003 2%,具有一定的推廣意義。