CN104330136B - 一种谐振式微重量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种微重量测量装置，该装置的组成包括：振动体、托盘、固定架、线圈和铜环；所述的振动体为顶端封闭的薄壁管状物体，并且振动体的中上部留有圆柱形凸起；材质为铁铝合金，振动体的凸起固装在支撑架的顶部通孔内，激励线圈、铜环和检测线圈由上到下依次接触、紧密安装在支撑架的内腔内，其中，激励线圈的上部与内腔的顶部紧密接触；振动体封闭端与托盘底部粘结。本发明可以通过输入频率（变化范围在振动体谐振频率附近）不断变化的电流以驱动振动体发生振动，具有体积小、精度高、结构简单、使用方便等优点，其简单的机械结构能够适应更为恶劣复杂的环境，例如该装置在有外磁场干扰下能够很好的工作。

Description

一种谐振式微重量测量装置

技术领域

本发明涉及一种新型的微重量测量装置，特别涉及谐振式微重量测量装置，核心部分为铁铝合金材料制作的振动元件。该测量装置采用机械谐振原理及铁铝合金的磁致伸缩特性，通过采集振动元件负重前后谐振频率的变化，以精确测量被测物体的重量。

技术背景

随着我国科学技术的不断发展，微重量测量装置在工农业生产、国防建设、科学技术和文教卫生等各部门的应用越来越广泛。人们对精密天平的性能要求越来越高，如称重的精密性、灵敏度、稳定性、耐用性等。

在称重技术方面，根据测量装置工作原理划分，除了传统的“杠杆加刀口”式原理外，主要应用的有磁悬原理和石英振荡原理。利用电磁力把被称重物体保持在预定位置上，通过测定线圈中电流确定物体的重量，这种方法称为磁悬原理，其精度不高，但使用方便。石英晶体振荡原理是石英晶体的谐振频率与均匀附着在石英晶体表面的物质质量有一定关系，通过测定石英晶体谐振频率的变化即可测定物质质量，但是对于质量分布不均匀的物质，则无法进行测定，并且该种称重仪价格较高。

尽管目前市场是微重量测量装置成熟成品较多，但都有其局限性，例如石英晶体微天平价格普遍较高，维护成本也较高，一般用户难以承担。

发明内容

针对现有的微重量测量装置存在的问题，考虑到微重量物体的测量特点，结合铁铝合金的磁致伸缩以及机械谐振特性，设计了一种谐振式微重量测量装置。该装置主要由振动体、托盘、固定架、线圈和铜环构成。其中主体元件为振动体，通过激励线圈向振动体提供直流偏置磁场和频率变化的交变磁场，对振动体进行扫频，并经过检测线圈上感应电动势变化确定该时刻振动体的谐振频率值。

本发明技术方案为：

一种谐振式微重量测量装置，该装置的组成包括：振动体、托盘、支撑架、线圈和铜环；

所述的振动体为顶端封闭的薄壁管状物体，并且振动体的中上部留有圆柱形凸起；材质为铁铝合金；

所述的支撑架结构为空心台柱体，其中，下部为底座，内部有两个同心不同内径通孔，其顶部通孔内径与振动体的凸起直径匹配；内腔内径与线圈外壳外径相同，内腔高度较振动体凸起下部长；支撑架顶部的厚度与振动体中凸起的高度相同；其材质为铝合金；

所述的线圈包括激励线圈和检测线圈，两个线圈的组成、大小和参数相同，每个线圈的结构为：线圈外壳对线圈顶部和外侧进行半包围，漆包线线圈填满线圈骨架和外壳，线圈外壳和线圈骨架能正好安装卡住，线圈骨架内径较振动体直径大0.3～0.5mm，线圈外壳外径与支撑架台柱较大内径匹配；激励线圈、铜环和检测线圈的高度之和小于振动体下部的长度；

所述的铜环其内径与线圈骨架内径相同，线圈外径与线圈外壳外径一致；

本装置的结构为：振动体的凸起部分装配在支撑架的顶部通孔内，激励线圈、铜环和检测线圈由上到下依次接触、紧密安装在支撑架的内腔内，其中，激励线圈的上部与内腔的顶部紧密接触；振动体封闭端与托盘底部粘结。

所述的托盘为轻质塑料。

所述的线圈外壳的材质为电工纯铁。

本发明的有益效果为：本发明通过输入频率(变化范围在振动体谐振频率附近)不断变化的电流以驱动振动体发生振动，当托盘空载时，此时通过扫频可以确定振动体的谐振频率为39.18KHz，如托盘上有被称重物体20mg时，通过扫频即可确定此时的振动体谐振频率为38.14KHz。即托盘上被称重物体质量发生变化，振动体谐振频率也随之发生变化，反之，通过测量振动体谐振频率的变化就可以确定托盘上被称重物体质量变化。测试结果表明，谐振频率和质量之间呈很好的线性变化。本发明同时重注磁路结构，使线圈外壳与振动体之间形成闭合磁路，减少漏磁，提高了磁场的利用率，减少线圈体积。

本发明是一种磁—机称重装置，具有体积小、精度高、结构简单、使用方便等优点，其简单的机械结构能够适应更为恶劣复杂的环境，例如该装置在有外磁场干扰下能够很好的工作。测量不同质量的物体时，只需根据检测线圈产生感应电动势出现最大值时对应的频率，可得到该频率对应的物体质量。交流电流频率输入范围为38.5～39.7KHz，并在一定步长下进行扫频，目前测重范围为0～100mg。

附图说明

图1为微重量测量装置的整体装配剖面图。

图2为铁铝材料的B—H曲线。

图3为铁铝材料的λ-H回线。

图4为微重量测量装置的振动体元件结构图。

图5为微重量测量装置的支撑架结构剖面图。

图6为微重量测量装置的线圈结构剖面图。

图7为扫频频率与检测线圈感应电动势关系曲线图。

图8为频率与质量关系曲线图。

其中，1-振动体；2-托盘；3-支撑架；4-线圈；5-铜环；6-振动体上部；7-振动体凸起；8-振动体下部；9-顶部通孔内径；10-内腔内径；11-支撑架底盘；12-线圈外壳；13-漆包线；14-线圈骨架。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，但它们不是对本发明作任何限制。

本发明所述的一种微重量测量装置如图1所示，其组成包括：振动体1、托盘2、支撑架3、线圈4(包括激励线圈和检测线圈)和铜环5；

所述的振动体1结构如图4，其材质为牌号为1J13的铁铝合金，冷加工成顶端封闭的薄壁管状，并且振动体1的中上部留有圆柱形凸起7,凸起7的下部8的长度大于上部6；

所述的托盘2为轻质塑料，振动体1封闭端与托盘底部粘结；

所述的支撑架3如图5，其材质为铝合金,加工成一体，其结构为空心台柱体，其中，下部为底座11，内部有两个同心不同内径通孔，其顶部通孔内径9与振动体的凸起直径匹配；内腔内径10与线圈外壳外径相同，内腔高度较振动体凸起下部长；支撑架3顶部的厚度与振动体1中凸起7的高度相同；

所述的线圈4包括激励线圈和检测线圈，两个线圈的组成、大小和参数相同，每个线圈的结构如图6，线圈外壳对线圈顶部和外侧进行半包围，漆包线线圈13采用0.15mm线径漆包线缠绕，填满线圈骨架14和外壳12之间空隙，线圈外壳12和线圈骨架14能正好安装卡住，线圈骨架14内径较振动体直径大0.5mm，线圈外壳外径与支撑架台柱较大内径10匹配；激励线圈、铜环5和检测线圈的高度之和稍小于振动体1下部8的长度；

所述的铜环5其内径与线圈骨架内径相同，线圈外径与线圈外壳外径一致。

本装置的结构为：振动体1的凸起7固装在支撑架3的顶部通孔内，激励线圈、铜环5和检测线圈由上到下依次接触、紧密安装在支撑架3的内腔内，其中，激励线圈的上部与内腔的顶部紧密接触；振动体1封闭端与托盘底部粘结。

振动体元件采用材料牌号为1J13的铁铝合金，其具有较高的饱和磁致伸缩系数和饱和磁感应强度等优点，本发明采用的铁铝合金B-H曲线如图2所示，其中横轴坐标H代表磁场强度，单位kA/m,纵轴坐标B表示磁感应强度，单位为特斯拉(T)。本发明的铁铝合金磁致伸缩系数和外加磁场的关系如图3所示，其中横轴坐标H代表磁场强度，单位kA/m，纵轴坐标λ代表磁致伸缩系数，单位为百万分之一。

本实施例器件的具体参数为：

振动体1采用的材料形状为圆柱形棒材，直径为25mm，长度为80mm，先经过冷加工，把棒材加工成一段封闭的薄壁管状，并在靠中间部位留有凸起7，除凸起部位外管壁要均匀，厚度为0.5mm，振动体上部6长度为22.3mm，振动体下部长度为27.5mm，凸起的外径为8mm。加工完成后，振动体元件的形状如图4所示。

支撑架采用铝合金，通过加工出一段长度为37.5mm，直径为60mm的圆柱形棒材，在距离棒材底部5mm以上部位打磨成直径为32mm的台柱，在棒材顶部中心打孔，孔的直径为8mm，深度为5mm，并在棒材底部中心打孔，孔的直径为23mm，深度为32.5mm，两孔正好形成同心不同径的通孔。加工完成后，支撑架形状剖面如图5所示。

线圈4分为激励线圈和检测线圈，并且两线圈尺寸参数相同，线圈骨架14聚砜材料(简称PSF)加工制成，该材料的硬度和冲击强度高，无毒，耐热性耐寒性耐老化性好，内径为7.2mm，外径为22mm，高度为12.5mm，凹槽深度为14.2mm，高度为11.5mm；线圈外壳12采用磁导率较高的电工纯铁加工而成，对线圈顶部、侧面进行半包围，其厚度为0.5mm；线圈13采用线径为0.15mm的漆包线进行缠绕，填满线圈骨架凹槽，匝数为480匝左右。加工完成后，线圈剖面图如图6所示。

铜环5采用普通黄铜加工成同环状，内径为7.2mm，外径为23mm，厚度为2mm。

装配过程：将振动体1封闭端向上，振动体凸起7与顶部通孔内径9进行粘结，并保持振动体处于垂直于支撑架上表面状态，将托盘2中心粘结在振动体1封闭端中心，并保持托盘底面垂直振动体1，在内腔内径10自上而下依次紧密固定(即卡住)激励线圈、铜环5和检测线圈，保证不与振动体1相接触。

控制过程：将装配好的微重量测量装置进行固定，并保证支撑架上表面处于水平，激励线圈接通直流偏置(偏置磁场)和交流激励(交变磁场)。通直流电流规则：通过直流电源对激励线圈施加直流电流，直流电流大小为0.1A。通交流电流规则：通过信号发生器发出交流信号，经过匹配电路对信号处理后输入到激励线圈，信号发生器输出的电压信号幅值为20V，频率变化范围为38.5～39.7KHz，输入频率步长为5Hz。当直流偏置和交流激励施加完成后，交流磁场将会驱动振动体自身发生及其微小的振动(该种振动为振动体发生轴向的身长和缩短，触摸或者肉眼观察都无法觉察)，该振动不会引起与支撑架粘结位置的相对位移，同时振动体的振动将会带动托盘和物体一起发生及其微小振动。检测线圈输出端连接信号处理器，检测线圈所感应电动势，当频率达到振动体谐振频率时，检测线圈所感应的电动势将会发生突变(由于振动体在谐振频率下，其伸长量和缩短量都将迅速达到最大，则由磁致伸缩逆效应所产生的交变磁场也将迅速达到最大，所以检测线圈所感应的电动势在谐振频率点发生突变)，通过信号处理器采集该电压突变点对应的频率，根据频率与质量关系，得出被测物体质量。

本发明的设计工作频率为38.5～39.7KHz，图7为称重测量装置在工作频率范围内，空载时检测线圈感应电动势变化情况，图中横轴为扫频频率，单位为千赫兹，纵轴为检测线圈感应电动势，单位为毫伏。由图7可知，当振动体振动频率达到谐振频率时，检测线圈感应的电动势幅值可由20mV迅速增大到115mV，十分明显。图8为称重测量装置负载时频率f和质量m曲线，横轴为质量，单位为毫克，纵轴为频率，单位为千赫兹。由图8可知，质量和频率呈线性关系，可以根据检测频率得出被称物体质量。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (3)

1.一种谐振式微重量测量装置，其特征为该装置的组成包括：振动体、托盘、支撑架、线圈和铜环；

所述的振动体为顶端封闭的薄壁管状物体，并且振动体的中上部留有圆柱形凸起；材质为铁铝合金；

所述的支撑架结构为空心台柱体，其中，下部为底座，内部有两个同心不同内径通孔，其顶部通孔内径与振动体的凸起直径匹配；内腔内径与线圈外壳外径相同，内腔高度较振动体凸起下部长；支撑架顶部的厚度与振动体中凸起的高度相同；其材质为铝合金；

所述的线圈包括激励线圈和检测线圈，两个线圈的组成、大小和参数相同，每个线圈的结构为：线圈外壳对线圈顶部和外侧进行半包围，漆包线线圈填满线圈骨架和线圈外壳，线圈外壳和线圈骨架能正好安装卡住，线圈骨架内径较振动体直径大0.3～0.5mm，线圈外壳外径与支撑架台柱较大内径匹配；激励线圈、铜环和检测线圈的高度之和小于振动体下部的长度；

所述的铜环其内径与线圈骨架内径相同，外径与线圈外壳外径一致；

本装置的结构为：振动体的凸起部分装配在支撑架的顶部通孔内，激励线圈、铜环和检测线圈由上到下依次接触、紧密安装在支撑架的内腔内，其中，激励线圈的上部与内腔的顶部紧密接触；振动体封闭端与托盘底部粘结。

2.如权利要求1所述的谐振式微重量测量装置，其特征为所述的托盘为轻质塑料。

3.如权利要求1所述的谐振式微重量测量装置，其特征为所述的线圈外壳的材质为电工纯铁。