CN102768060A - 一种高精度多功能电子天平 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度多功能电子天平，该电子天平的内部组成结构包括电磁力平衡传感器、光电检测电路、PID调节电路、信号调理电路、数据采集电路、微处理器主控模块和温度检测模块，所述的电磁力平衡传感器、光电检测电路和PID调节电路组成闭合系统，以提高电子天平的精度和稳定性。本发明揭示了一种高精度多功能电子天平，该电子天平设计新颖、操作方便，其采用电磁力平衡传感器，利用零位法原理实现对被称物体质量的称量，具有测量精度高、测量稳定性好、可连续重复测量的优良性能，同时还具有测量类型多、全自动校准、故障自诊断的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种天平，具体涉及一种高精度多功能电子天平，属于计量技术领域。
背景技术
随着电子技术和微电脑技术迅速发展，并且应用到天平领域，出现了电子天平。从上世纪七十年代末期世界上出现第一台电子天平起，短短三十几年中，发展出了各种规格、门类齐全的系列电子天平，广泛应用于各行各业质量计量。电子天平具有机械天平无法比拟的优点。它能够数字显示、直接读数、快速称量、操作简便、抗干扰能力强，并采用了微机技术使得智能化、多功能，可与打印机、计算机相联机进行在线测量，使数据统计分析等成为可能，因此应用范围越来越广泛。
目前，国内生产的电子天平的电路集成度低，大多数采用由运算放大器、比较器等组成的双积分型A/D转换器，且采用模拟电路实现非线性修正和温度补偿，存在电路复杂、调试困难、准确度低、可靠性差等问题，同时，操作较为麻烦，可操作性较低。
发明内容
针对上述需求，本发明提供了一种高精度多功能电子天平, 该电子天平设计新颖、操作方便，其采用电磁力平衡传感器，利用零位法原理实现对被称物体质量的称量，具有测量精度高、测量稳定性好、可连续重复测量的优良性能，同时还具有测量类型多、全自动校准、故障自诊断的功能。
本发明是一种高精度多功能电子天平，该电子天平的内部组成结构包括电磁力平衡传感器、光电检测电路、PID调节电路、信号调理电路、数据采集电路、微处理器主控模块和温度检测模块，所述的电磁力平衡传感器、光电检测电路和PID调节电路组成闭合系统，以提高电子天平的精度和稳定性。
在本发明一较佳实施例中，所述的电磁力平衡传感器包括立柱、永磁体、拉簧、线圈和遮光片，该电磁力平衡传感器的瓷缸内和瓷缸壁安置了温度传感器，以便实时测量磁缸内、磁缸壁的温度。
在本发明一较佳实施例中，所述的光电检测电路引入一个RC网络，通过缩小信号的带宽，吸收电流滤波的方法降低噪声的干扰；同时，该光电检测电路采用零偏置电压的光电接入模式，增加暗电流补偿电路以实现精密的光电检测。
在本发明一较佳实施例中，所述的PID调节电路引入微分器相位补偿和增量积分环节；其中，相位补偿是通过在输入回路中串联一个小电阻，限制输入的噪声和突变电压，防止电路自激振荡；增量积分是在原有积分环节上并联一个微小的RC网络，利用微小增量去补偿由于积分器复原和运算放大器滞后带来的误差。
在本发明一较佳实施例中，所述的数据采集电路采用了24位高精度A/D转换器，该A/D转换器采用了电荷平衡技术，其内部集成了一个极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器、一个四阶的Δ-Σ调制器和一个均值移动数字滤波器，实现了22位的无噪声位数输出。
在本发明一较佳实施例中，所述的微处理器采用了AT89S51单片机，该微处理器对A/D转换器采集到的称重数据进行数字滤波、漂移补偿、线性化处理，并将处理结果输送至LCD显示。
在本发明一较佳实施例中，所述的漂移补偿采用了温度补偿技术和零点跟踪技术，通过微处理器的温度补偿算法程序，及时补偿由于温度变化而产生的漂移，同时不断地补偿系统的零位值。
在本发明一较佳实施例中，所述的线性化处理采用了牛顿插值法对称量数据进行线性化处理，线性化处理后电子天平的线性度≤±0.3 mg。
本发明揭示了一种高精度多功能电子天平, 该电子天平设计新颖、操作方便，其采用电磁力平衡传感器，利用零位法原理实现对被称物体质量的称量，具有测量精度高、测量稳定性好、可连续重复测量的优良性能，同时还具有测量类型多、全自动校准、故障自诊断的功能。
附图说明
图1是本发明实施例高精度多功能电子天平的硬件结构框图；
附图中各部件的标记如下：1、立柱，2、永磁体，3、拉簧，4、线圈，5、遮光片，6、温度传感器，7、发光管，8、光敏管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
图1是本发明实施例高精度多功能电子天平的硬件结构框图；该电子天平的内部组成结构包括电磁力平衡传感器、光电检测电路、PID调节电路、信号调理电路、数据采集电路、微处理器主控模块和温度检测模块，所述的电磁力平衡传感器、光电检测电路和PID调节电路组成闭合系统，以提高电子天平的精度和稳定性。
本发明提及的高精度多功能电子天平的电磁力平衡传感器包括立柱1、永磁体2、拉簧3、线圈4和遮光片5，该电磁力平衡传感器的瓷缸内和瓷缸壁安置了温度传感器6，以便实时测量磁缸内、磁缸壁的温度。测量时，当电子天平称盘加载前，电磁力平衡传感器处于初始平衡状态；称盘加载后，被称量物体的重力使电磁力平衡传感器的可动部分发生位移，遮光片5位移使光敏二极管D2感应到发光管D1发出的光，光信号经光电检测电路转换为电压信号，电压信号通过PID调节，向线圈4提供一个与被称物体的质量成正比的电流，线圈4在永磁体2的磁场作用下，将产生向上的力，使电磁力平衡传感器的可动部分向上移动；遮光片5向上移动后，使光电检测电路的输出电压减少，PID积分环节使流经线圈4的电流继续增大，直至可动部分恢复到初始平衡的位置。此时，线圈4电流在永磁体2磁场作用下产生的力与被称量物体的重力相等，传感器处于平衡状态。同时，流过载流线圈4的电流通过取样电阻R转换为电压信号，经信号调理电路后送数据采集电路，微处理器对采集到的称重数据进行数字滤波、漂移补偿、线性处理后输出并显示。
该多功能电子天平的光电检测电路引入了一个RC网络，通过缩小信号的带宽，吸收电流滤波的方法降低噪声的干扰；同时，该光电检测电路采用零偏置电压的光电接入模式，增加暗电流补偿电路以实现精密的光电检测；该电子天平的PID调节电路引入了微分器相位补偿和增量积分环节；其中，相位补偿是通过在输入回路中串联一个小电阻，限制输入的噪声和突变电压，防止电路自激振荡；增量积分是在原有积分环节上并联一个微小的RC网络，利用微小增量去补偿由于积分器复原和运算放大器滞后带来的误差；该电子天平的数据采集电路采用了24位高精度A/D转换器，该A/D转换器采用了电荷平衡技术，其内部集成了一个极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器、一个四阶的Δ-Σ调制器和一个均值移动数字滤波器，实现了22位的无噪声位数输出；该电子天平的微处理器采用了AT89S51单片机，可对A/D转换器采集到的称重数据进行数字滤波、漂移补偿、线性化等软件处理，并将处理结果输送至LCD显示；该电子天平的温度检测模块采用12位的数字温度传感器DS18B20，可以实时测量电磁力平衡传感器磁缸内、磁缸壁和外界环境温度，补偿电子天平由于温度变化所产生的漂移。
实际测量时，电子天平在微处理器的主控作用下，先上电复位，进行系统故障自检，故障自检通过后开始各模块初始化工作，然后自动加载内校砝码进行快速预热，使天平快速达到平衡状态。预热完毕后根据采集到的数据自动对天平进行零点和满量程的校准，并进入天平的基本称量状态。此时，微处理器对A/D转换器采集到的称重数据进行数字滤波、漂移补偿、线性化处理，并将处理结果输送至LCD显示。其中，漂移补偿采用了温度补偿技术和零点跟踪技术，通过微处理器的温度补偿算法程序，及时补偿由于温度变化而产生的漂移，同时不断地补偿系统的零位值；线性化处理采用了牛顿插值法对称量数据进行线性化处理，线性化处理后电子天平的线性度≤±0.3 mg。该高精度多功能电子天平可实现的称量范围为0～250 g，精度达到了0.1 mg，具有称量、去皮、百分比测定、计数、净重-总和配方、参考称量、非公有制单位换算、全自动校准、故障自诊断等多种功能。
本发明揭示了一种高精度多功能电子天平, 该电子天平设计新颖、操作方便，其采用电磁力平衡传感器，利用零位法原理实现对被称物体质量的称量，具有测量精度高、测量稳定性好、可连续重复测量的优良性能，同时还具有测量类型多、全自动校准、故障自诊断的功能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种高精度多功能电子天平，其特征在于，该电子天平的内部组成结构包括电磁力平衡传感器、光电检测电路、PID调节电路、信号调理电路、数据采集电路、微处理器主控模块和温度检测模块，所述的电磁力平衡传感器、光电检测电路和PID调节电路组成闭合系统，以提高电子天平的精度和稳定性。
2.根据权利要求1所述的高精度多功能电子天平，其特征在于，所述的电磁力平衡传感器包括立柱、永磁体、拉簧、线圈和遮光片，该电磁力平衡传感器的瓷缸内和瓷缸壁安置了温度传感器，以便实时测量磁缸内、磁缸壁的温度。
3.根据权利要求1所述的高精度多功能电子天平，其特征在于，所述的光电检测电路引入一个RC网络，通过缩小信号的带宽，吸收电流滤波的方法降低噪声的干扰；同时，该光电检测电路采用零偏置电压的光电接入模式，增加暗电流补偿电路以实现精密的光电检测。
4.根据权利要求1所述的高精度多功能电子天平，其特征在于，所述的PID调节电路引入微分器相位补偿和增量积分环节；其中，相位补偿是通过在输入回路中串联一个小电阻，限制输入的噪声和突变电压，防止电路自激振荡；增量积分是在原有积分环节上并联一个微小的RC网络,利用微小增量去补偿由于积分器复原和运算放大器滞后带来的误差。
5.根据权利要求1所述的高精度多功能电子天平，其特征在于，所述的数据采集电路采用了24位高精度A/D转换器，该A/D转换器采用了电荷平衡技术,其内部集成了一个极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器、一个四阶的Δ-Σ调制器和一个均值移动数字滤波器，实现了22位的无噪声位数输出。
6.根据权利要求1所述的高精度多功能电子天平，其特征在于，所述的微处理器采用了AT89S51单片机，该微处理器对A/D转换器采集到的称重数据进行数字滤波、漂移补偿、线性化处理，并将处理结果输送至LCD显示。
7.根据权利要求6所述的高精度多功能电子天平，其特征在于，所述的漂移补偿采用了温度补偿技术和零点跟踪技术，通过微处理器的温度补偿算法程序，及时补偿由于温度变化而产生的漂移，同时不断地补偿系统的零位值。
8.根据权利要求6所述的高精度多功能电子天平，其特征在于，所述的
线性化处理采用了牛顿插值法对称量数据进行线性化处理，线性化处理后电子天平的线性度≤±0.3 mg。
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