浅析电子天平的电磁平衡技术

李郝鹏

(沈阳计量测试院，辽宁　沈阳　110000)



浅析电子天平的电磁平衡技术

李郝鹏

(沈阳计量测试院，辽宁沈阳110000)

电子天平目前广泛应用于企业和实验室测定物体的质量。电子天平的核心部件是称重传感器，而应用最广泛的电磁传感器就是应用了电磁平衡技术。本文就电磁平衡技术进行了简单的分析阐述。

电子天平；线圈；电磁平衡

天平作为一种广泛使用的计量器具，被大家所熟知。通常天平分为机械天平和电子天平两大类。其中机械天平应用杠杆平衡原理，电子天平则主要由秤盘、称重传感器、位置检测器、PID调节器、功率放大器、低通滤波器、模数(A/D)转换器、微计算机、显示器、机壳、底脚等部件组成。其工作原理见图1。

图1　电子天平的工作原理

电子天平的核心部件是称重传感器，主要有应变式传感器、电容式传感器、电磁式传感器三种。最常使用的就是电磁式传感器，如图2，应用的就是电磁平衡技术。

电磁平衡技术，就是利用磁场中流过的电流所产生的力来平衡作用于被称物质量的重力，利用磁悬原理的电子天平在结构上通常采用恒弹性簧片作为弹性支点，他与梁杆组成平行四边行的罗帕尔机构，在电路

图2　电磁式传感器示意图

上运用闭环式电磁力平衡原理，即用电磁力平衡负荷量来取得平衡，测量发生电磁力所需电量，是在动态平衡下通过光电传感器检出位移信号，经前置放大，PID调解器，功率放大器放大后转换成电流，输入到线圈中，该电流所产生的力来平衡加载物的重量，采用零位测定法，其测量精度高，这个电流经一高精度取样电阻转换成电压信号，通过A/D转换器变成数字量送入计算机进行加处理，最后显示其质量结果。

根据物理学中电流的力效应原理，处于磁场中通过电流的导线或线圈将产生一种电磁力，其方向可用左手定则来判定，假设通过线圈电流的方向I和磁场方向B如图3所示。

图3　线圈电流和磁场示意图

则线圈电磁力F的方向向上，其大小关系式有：

F=K1BLI

式中K1为常数(与使用单位制有关)。B为磁感应强度，L为导线长度，I为通过导线电流的强度。假设通过线圈电流的方向和磁场方向如图3所示，则线圈的磁力方向向上，其大小关系式有：

E=K1BπDWI

(1)

式中K1为常数，B为磁钢中的磁感应强度，D为磁钢中线圈的直径，W为线圈的匝数，I为通过线圈的电流。对某一线圈来说，D和W是一定的，所以(1)式可以变为：

F=K2BI

(2)

对某一磁钢来说，B是一定的，可见B为恒定时(2)式可以改写成：

D=K3I

(3)

式中K3=K2B=常数，由(3)可见在磁场中通过电流的线圈所产生的电磁力与流过的电流强度成正比，由图2可以看出秤盘通过支架连杆与线圈相连，这样秤盘上被称物体的重力mg通过连杆支架作用于线圈上，方向向下，这是磁场中线圈内若有电流通过，则线圈将产生一个电磁力F，设计时可以使电磁力F方向向上，使其大小为：

F=mg

(4)

这时，电磁力F与秤盘上被称物重力mg大小相等，方向相反而平衡在弹簧片的作用下，使秤盘支架回复到原来的位置，这种处理方法被称为回零法。由(3)式和(4)式可得：

F=K3I=mg ，即I=Km

(5)

式中K=g/K3=常数，由(5)可以得出重要的结论：测定物体的质量如果是采用以上电磁力平衡方式的话，则在电磁中流过线圈的电流I就与被称物体的质量成正比，我们知道，被称物体的质量有大有小，如果相应的使通过线圈的电流I也有大有小，如果相应的使通过线圈的电流I也有大有小，即使通过线圈的电流随着被称物体质量的变化而成正比地变化，那么就可以使通过此电流的线圈所产生的力与相应的被称物体的重力相平衡。现在许多电子天平就是采用电流控制电路等环节来实现这种关系的，这也是目前电子天平最基本的工作原理。

虽然电子天平在设计时使电流通过线圈所产生的电磁力与秤盘上被称物体的重力大小相等方向相反而平衡，在弹性簧片的作用下，使秤盘支架回复到原来的位置，即回零式，但实际上秤盘及连在一起的线圈会产生极微小的位移S，他与被称物体的质量成正比，即：

S=Km

设位移信号通过光电传感器变成电信号，经前置放大，取样保持电路，经PID调节器动态调节后，得到一个大小随被称物体质量不同而成正比例变化的模拟电压信号，此电压信号变换成电流信号，通过功率放大器驱动线圈，产生一个大小与被称物体重力相等方向的力F，最终使线圈支架达到平衡状态。

[1]高平.电子天平的基本结构和原理[J].衡器，2012，41(12)：33-34.[2]吴灿林.电子天平的工作原理及常见故障分析[J].企业技术开发月刊，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