CN104374454A - 一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统，包括单体传感器、电磁力平衡机构、光电检测传感器、PID比例控制电路、温湿度传感器、磁缸线圈信号调理电路、CPU微处理器电路和液晶显示电路；所述的单体传感器设置在电磁力平衡机构的上方并与电磁力平衡机构中的磁缸固定连接。本发明的有益效果是：通过在单体传感器长杆的尾部下方安装线圈并置于磁缸中与磁缸耦合，光电检测机构检测位移机构的位移量，高精度测量控制电路采用电磁力反馈平衡零位法原理处理光电检测机构产生的电压信号，使线圈产生电流进行反馈调节，位移机构恢复到初始位置并保持平衡状态时测出所称量重物的质量。具有称量精度高、速度快、稳定性和可靠性好等优点。

Description

一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统

技术领域

本发明涉及一种天平，特别是涉及一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统。

背景技术

随着科技的进步和制造工艺水平的提高，各行业对高精度称量的要求不断提高，例如在生物医学工程和生物制药等领域，经常会遇到微小质量分析，在化学领域，经常需要精确反应物的质量，在工业生产中，也常常需要精确材料的质量。但是，目前市场上的价格较低的电子天平普遍具有称量精度低、稳定性和可靠性差等缺点，而高精度、稳定性和可靠性好的天平却往往价格昂贵。造成这一现象的原因主要是电子天平测量系统的结构的制约，特别是传感器及相应称量电路的制约。对此，申请人对高精度天平测量系统进行了设计与研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度电子天平测量系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统，包括单体传感器、电磁力平衡机构、光电检测传感器、PID比例控制电路、温湿度传感器、磁缸线圈信号调理电路、CPU微处理器电路和液晶显示电路；所述的单体传感器设置在电磁力平衡机构的上方并与电磁力平衡机构中的磁缸固定连接；光电检测传感器通过PID比例控制电路与电磁力平衡机构中的磁缸线圈电连接；磁缸线圈信号调理电路和温湿度传感器分别与CPU微处理器电路电连接，CPU微处理器电路的输出与液晶显示电路电连接。

所述电磁力平衡机构包括磁缸、导电线圈，所述导电线圈位于单体传感器的长杆尾部的圆形部位的下方，且置于磁缸内。

所述的CPU微处理器采用的型号是MSP430，磁缸线圈信号调理电路与CPU微处理器电路之间设置有A/D数模转换电路，采用的型号是CS5532。

所述的液晶显示电路采用7-9位液晶显示器

本发明的有益效果是：该高精度天平通过在单体传感器长杆的圆形部分下方安装线圈并将线圈置于磁缸中与磁缸耦合，光电检测机构用于检测位移机构的位移量，高精度测量控制电路采用电磁力反馈平衡零位法原理处理光电检测机构产生的电压信号，通过使线圈产生电流进行反馈调节，使位移机构恢复到初始位置并保持平衡状态并测出所称量重物的质量。实现了重物质量的高精度称量，具有称量精度高、称量速度快、稳定性和可靠性好等优点。

附图说明

图1是本发明基于单体传感器的高精度电子天平测量系统的结构示意图；

图2是本发明用于称量的单体传感器机械结构的立体结构示意图；

图3是位移机构示意图；

图4是为PID调节电路；

图5是导电线圈信号调理电路信号流程图；

图6是24位A/D数据采集电路；

图7是MSP430微处理器系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统，包括单体传感器、电磁力平衡机构、光电检测传感器、PID比例控制电路、温湿度传感器、磁缸线圈信号调理电路、CPU微处理器电路和液晶显示电路；所述的单体传感器设置在电磁力平衡机构的上方并与电磁力平衡机构中的磁缸固定连接；光电检测传感器通过PID比例控制电路与电磁力平衡机构中的磁缸线圈电连接；磁缸线圈信号调理电路和温湿度传感器分别与CPU微处理器电路电连接，CPU微处理器电路的输出与液晶显示电路电连接。所述电磁力平衡机构包括磁缸52及单体传感器的长杆19尾部的圆形部位51下方放置的与圆形部位固定的导电线圈53，导电线圈53置于磁缸52内与磁缸52耦合，并且磁缸线圈与高精度测量控制电路通过导线连接，光电检测机构54用于检测单体传感器位移机构的位移并发出偏离平衡位置的电流信号，由高精度测量控制电路处理称量重物时光电检测机构产生的电信号发送给磁缸线圈53，并根据磁缸线圈电流与磁缸52磁场的相互作用进行PID调节，使磁缸线圈维持在初始位置。

如图2、图3所示，所述单体传感器其机械结构是在本体上一体形成有罗伯威尔机构100、位移机构200、支撑结构300，所述的罗伯威尔机构100、位移机构200和支撑结构300是在一长方体合金金属块本体上通过剔除多余部分成型的，所述罗伯威尔机构100的刚体支架形成于本体的一侧，其上方承重刚体15为称重支撑，沿所述罗伯威尔机构100的刚体支架内侧面101形成有所述位移机构200，该位移机构200的连接长杆19在本体内向所述罗伯威尔机构100的刚体支架相对一侧的支撑结构300延伸。支撑结构300位于本体对应罗伯威尔机构100的另一侧的两个侧面和底部位置，其两个侧面是一对应的侧壁，侧壁的一端上、下分别设有凸台用来连接柔性铰链以及刚体变形的空间。

所述罗伯威尔机构100包括：柔性铰链3、4、5、6、7、8、9、10，连接柔性铰链3,7的外侧刚体上梁、连接柔性铰链4,8的内侧刚体上梁、连接柔性铰链5,9的外侧刚体下梁、连接柔性铰链6,10的内侧刚体下梁，所述承重刚体15四角分别连接各柔性铰链7、8、9、10，柔性铰链3、4、5、6、7、8、9、10的转动中心线均处于水平面上，且相互平行；所述柔性铰链3、4的端部分别与支撑结构300侧壁上的上凸台30、31连接，且在连接处分别水平连接有延长刚体20、21，所述延长刚体20、21的端部分别设有调节孔1和孔2，对应所述调节孔1和孔2的支撑结构300侧壁上分别对应设置有调节螺钉孔；所述柔性铰链5、6的端部分别与支撑结构300侧壁上的下凸台(图中未标注)连接。

所述位移机构200包括：柔性铰链11、12、13、14，连接柔性铰链11的第一刚体16，连接柔性铰链11、12、14的第二刚体17，连接柔性铰链12、13的第三刚体18，刚体长杆19，所述第一刚体16与所述罗伯威尔机构100的刚体支架内侧面101连接，所述第三刚体18的一端柔性铰链12连接所述刚体长杆19；所述第一刚体16与所述罗伯威尔机构100的刚体支架内侧面101连接，所述第三刚体18的一端柔性铰链12连接所述刚体长杆19；所述柔性铰链14的另一端刚体连接所述支撑结构300的底板，其柔性铰链14两侧刚体的上下表面所处平面与水平面呈45度方向设置，所述第一刚体16上的柔性铰链11沿竖直方向设置所述第三刚体18上的柔性铰链12、13分别水平方向设置，所述第一刚体16和第二刚体17上的柔性铰链11、14的铰链中心位于同一条水平直线上，所述第二刚体17和第三刚体18上的柔性铰链12、13、14的铰链中心位于同一条竖直直线上，且第一刚体16和第三刚体18上的柔性铰链11、12、13的柔度与各自铰链中心到第二刚体17上的柔性铰链14的中心的距离成正比。

调节孔1、2的位置位于柔性铰链3、4的对称中心线上。调节孔1、2为通孔且孔下方的支撑结构上设有螺纹孔，可方便安装调节螺钉，改变调节孔1、2的竖直方向的位置。通过调整调节螺钉改变孔1、2所在的梁20、21与下面刚体结构的距离，可实现罗伯威尔机构的两侧的平衡性微调。

所述位移限位机构500包括：在位移机构的刚体长杆19的端部设置有挡块501、挡柱504和505，在支撑结构300的端部设置挡槽502和503，挡块501和刚体长杆19为同一刚体结构，挡柱504和505分别位于档槽502和503内并通过螺纹结构与挡块501连接，档槽与档柱之间的间隙作为预留位移限位长度。挡块上设置安装档柱用螺纹孔，在支撑结构的端部设置挡槽，档柱位于挡槽内，档柱与档槽之间的间隙为位移机构的限位长度。

应用该传感器时，首先在罗伯威尔机构的左端长方体承重刚体15的上水平面中心位置上通过螺纹机构安装固定托盘，如果没有罗伯威尔机构的下半部分，若重物没有放置在托盘中心，便会产生围绕托盘支点的旋转力矩，产生造成测量误差；罗伯威尔机构的下半部分通过产生平衡力矩防止承重刚体15发生倾斜，使位移机构避免因除重物垂直向下的力以外的力和力矩产生额外的位移，从而避免了该部分误差。由于承受重物时，随着承重刚体15的下移，铰链14将产生变形，随着铰链14的变形，铰链11,12,13也随之产生变形，铰链7、8、9、10也产生随承重刚体15相同的下移量，由于铰链3、4、5、6与铰链7、8、9、10之间具有刚体梁，铰链3、4、5、6、7、8、9、10的弯曲量远小于铰链11、12、13、14的弯曲。因此，位移机构通过铰链的旋转平衡所测质量，提高了测量精度。通过铰链11、12、13、14的变形，便可使长杆19与水平面产生一个角度。由于长杆具有一定的长度，因此，在长杆的一端将产生一定量的位移，并且该位移与重物的质量近似为线性相关，通过设置铰链11、12、13、14的位置，可使铰链11、12、13的旋转角度相近，减小了由柔性铰链产生的非线性，因此本传感器可实现高精度的质量测量。位移量由电磁力平衡机构转换为电信号，通过对电信号的处理和检测，得到被称物体的质量。

调节螺钉可通过孔1、2与下方刚体上的螺纹孔实现螺纹机构，调整调节螺钉使孔1、2所在的梁20、21的位置产生竖直方向位移，该位移通过上凸台30、31支点传递给罗伯威尔机构，，使罗伯威尔机构两侧在垂直方向上产生微小位移，可在本传感器安装时对于两侧处于非平衡状态时的罗伯威尔机构进行平衡调平。

在安装传感器时，先在称重传感器的底部支撑结构刚体部分通过安装孔将传感器固定到天平基座上(示意图中未画出和标注)，然后通过罗伯威尔机构右端承重刚体15上水平面的螺纹孔安装托盘固定结构(示意图中未画出和标注)，然后通过调节螺钉对天平的罗伯威尔机构两侧的平衡状态进行调节。

在位移机构的刚体长杆19的端部位置设置位移限位机构500且为刚体，由于柔性铰链的最薄处很薄，因此过大的变形会使柔性铰链的材料产生屈服应力，因此常常需要控制位移机构的最大位移，以防过载，因此，可通过控制位移限位机构500对位移机构的最大位移进行限位，本申请是在天平基座上给位移机构19设置刚体限位机构，当其与位移限位机构接触时便停止继续向上运动，防止过载。

磁缸线圈固定于单体传感器的刚体长杆19的一端的圆形部分51的下方并置于同样位于单体传感器的刚体长杆19的一端的圆形部分51的下方但固定在刚体300上的磁缸52中，并且磁缸线圈通过导线与高精度测量控制电路的相连。光电检测机构由光电检测传感器54及光电检测电路构成，检测单体传感器的位移机构的位移量并转换为电压信号，该电压信号输入高精度测量控制电路中。如图4至图7所示，电压信号作为输入信号输入到高精度测量控制电路的PID调节电路，该PID调节电路，该电路的PID反馈调节部分由集成运算放大器，1Q14，1Q15，1R15，1C6，1R16，1R31，1R17，1C8，1C9组成。该电路接收到输入信号后，通过PID调节原理进行调节，向磁缸线圈输出一个与被称物体的质量m成正比的电流，线圈在磁缸永磁体52的磁场作用下，将产生向上的力F，使电磁力平衡机构的可动部分19、51、53向上移动，使光电检测电路的输出电压减少，PID积分环节使流经线圈的电流继续增大，直至可动部分恢复到初始平衡的位置。当磁缸线圈处于平衡状态后，通过由信号调理电路通过整形滤波后并将电压进行差分放大并转化为电压值可由24位A/D数据采集电路所处理的电压信号，再将该信号输出到24位A/D数据采集电路进行模数转换，24位A/D数据采集电路的主要部件为24位高精度A/D转化器CS5532以及可提供高精度稳定参考电压的AD780，24位A/D数据采集电路将信号调理电路输出的电压信号进行模数转换后，将数字信号输入到MSP430微处理器系统进行处理，MSP430微处理器系统根据24位A/D数据采集电路输出的数值及与MSP430相连的温湿度传感器此时所测量的温度湿度值进行运算处理并最终得出所称量重物的质量，最后通过与MSP430微处理器系统相连的7-9位液晶显示电路显示测量结果。

本高精度天平的原理是：通过调节螺钉对天平的罗伯威尔机构两侧的平衡状态进行调节后，在托盘上放置重物。加载前，电磁力平衡机构处于初始平衡状态。加载后，被称量物体的质量通过位移机构使电磁力平衡机构的可动部分发生位移，位移量的大小与光电传感器的光电流成正比，光电流信号经光电检测电路转换为电压信号。电压信号通过高精度测量控制电路通过PID调节，向磁缸线圈提供一个与被称物体的质量m成正比的电流，线圈在磁缸永磁体的磁场作用下，将产生向上的力F，使电磁力平衡机构的可动部分向上移动，使光电检测电路的输出电压减少，PID积分环节使流经线圈的电流继续增大，直至可动部分恢复到初始平衡的位置。此时，线圈电流在永磁体磁场作用下产生的力F与被称量物体的质量相等，传感器处于平衡状态。此时流过载流线圈的电流，通过取样经过信号调理电路处理后转换为能被24位A/D转换器转换的大小合适的电压信号并送往24位A/D数据采集电路，微处理器对采集到的称重数据及此时所采集的温湿度传感器测得的温度湿度值进行数字滤波、漂移补偿、线性处理后得到所称量重物的质量，并将该质量数据通过液晶显示电路送往7-9位多功能液晶显示器进行测量结果显示。

Claims (4)

1.一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统，其特征是：包括单体传感器、电磁力平衡机构、光电检测传感器、PID比例控制电路、温湿度传感器、磁缸线圈信号调理电路、CPU微处理器电路和液晶显示电路；所述的单体传感器设置在电磁力平衡机构的上方并与电磁力平衡机构中的磁缸固定连接；光电检测传感器通过PID比例控制电路与电磁力平衡机构中的磁缸线圈电连接；磁缸线圈信号调理电路和温湿度传感器分别与CPU微处理器电路电连接，CPU微处理器电路的输出与液晶显示电路电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于单体传感器的高精度电子天平测量系统，其特征是：所述电磁力平衡机构包括磁缸(52)、导电线圈(53)，所述导电线圈(53)位于单体传感器的长杆(19)尾部的圆形部位(51)的下方，且置于磁缸(52)内。

3.根据权利要求1所述的基于单体传感器的高精度电子天平测量系统，其特征是：所述的CPU微处理器采用的型号是MSP430，磁缸线圈信号调理电路与CPU微处理器电路之间设置有A/D数模转换电路，采用的型号是CS5532。

4.根据权利要求1或2所述的基于单体传感器的高精度电子天平测量系统，其特征是：所述的液晶显示电路采用7-9位液晶显示器。