CN114199354B - 一种自适应磁悬浮电子天平及其称重方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应磁悬浮电子天平及其称重方法，属于检测设备制造技术领域，包括永磁环，永磁环下方粘有底板，所述永磁环上方安装有电路板，所述电路板上方且为永磁环中心位置固定四个线圈，所述电路板上方且靠近线圈位置处有电涡流传感器，所述四个线圈上方的中心位置有磁悬浮浮子，所述浮子上方有称重盘。所述称重盘粘贴在浮子上面。本发明中，可利用四个电磁线圈和永磁环提供的电磁力使浮子处于平衡；该电子天平结构浮子和永磁环不接触，消除了摩擦力造成的影响；该电子天平结构使用了电涡流传感器测距，以便于向板子上添加重物后，浮子在受力改变时，依旧能够在同一位置保持平衡，消除由于永磁环磁场变化对浮子造成的非线性影响。
Description
技术领域
本发明属于称重设备技术领域，具体涉及一种自适应磁悬浮电子天平及其称重方法。
背景技术
传统的电子天平主要由压力传感器、称重系统、信号处理电路和电源四部分组成。压力传感器是将重量转换成电量的转换元件，主要将被测物体的重量按照相应的函数关系转换成方便测量的物理量输出，通常为电压、电流等。但是大多数对应的函数关系很难保证是线性关系，从而影响称量的精度。
电子天平称重的主体是承重机构和传力系统。承重机构主要用于放置被测物体，传力机构主要用于将被测物体的重量传递给压力传感器。但是承重机构和传力机构之间往往都是相互接触的，一方面，该称量装置由于承重机构和传力系统之间是相互接触的，避免不了摩擦力对装置的影响，从而影响了该称量装置的精度。另一方面，由于承重机构与传力系统之间的接触，长时间会造成称重装置的的磨损，影响装置的使用寿命。
为此，本发明提出一种采用磁悬浮原理的自适应电子天平来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提出了一种自适应磁悬浮电子天平。本发明采用了如下技术方案：
一种采用磁悬浮原理的自适应电子天平，包括永磁环，所述永磁环的底部粘有带泡沫的纸板，所述永磁环的表面粘有绝缘胶带，所述永磁环的顶部粘有电路板，所述电路板一端与电源相连，另一端与STM12单片机相连，所述永磁环的中心位置、电路板的顶部有两组线圈，所述永磁环上方靠近线圈位置安装有电涡流传感器，所述电涡流传感器安装位置与所述电路板表面垂直，所述电涡流传感器的探头不能超过称重盘的外径。所述两组线圈的中心位置安装有三个霍尔传感器，且三个霍尔传感器分别安装在空间结构x,y,z方向，所述两组线圈的中心上方位置放置悬浮磁铁，所述悬浮磁铁上表面粘贴圆形板子，用于放置被测物体。
优选地，所述永磁环的材料为铁氧体永磁材料。
优选地，所述电路板与永磁环之间通过热熔胶固定。
优选地，所述三个霍尔传感器垂直电路板固定，所述三个霍尔传感器的高度为两组线圈高度的一半。
优选地，所述电涡流传感器的探头表面与圆形板子平行。
优选地，所述悬浮磁铁的材质为钕铁硼铁磁材料。
优选地，所述圆形板子的材质为金属材料。
根据上述的一种自适应磁悬浮电子天平的称重方法：首先选取已知重量的物体放置于称重盘上，通过万用表读取电磁线圈上的电流值，根据多组数据画出相应的重量和电流之间的关系图I＝km+b，，求出k值，其中k为图中任意两点之间斜率的算术平均值，再根据b＝I-km求得常数b的算术平均值；
称重任意未知物体的重量时，将总电源打开，待系统稳定之后，将被测物体放置在圆形称重盘1上，此时系统将会通过单片机自动计算被测物体的重量，单片机根据m＝(I-b)/k，由未知物体重量的电流I值，求得被测物体的重量，并在外接显示屏上显示；
上述称重过程中，当圆形称重盘1上放置被测物体时，称重盘1和悬浮磁铁2会随着重量的增加位置向下移动，使得悬浮磁铁2受到永磁环3的磁力发生变化，通过电涡流传感器4检测悬浮物体的位移发生变化，与初始位移做对比，形成闭环控制，通过增加电磁线圈5的电流，使悬浮物体恢复到初始的悬浮位置，进而使得圆形称重盘1能够在同一位置处保持平衡，消除永磁环磁场变化对悬浮磁铁造成的非线性影响。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用霍尔传感器，该传感器电压与磁场强度有关，外界环境不会影响该传感器的使用，消除了外界光强带来的误差。
2、本发明中，永磁环的底部安装有底座，以减小桌面振动对称重系统的影响。
3、本发明中，线圈一端安装有电涡流传感器，可以实时检测悬浮磁铁的位置，保证悬浮磁铁始终处于同一平衡位置，本发明悬浮磁铁定位精度可达99.99％，消除永磁环磁场带来的非线性影响。
4、本发明中，秤盘与秤体互不接触，消除了摩擦力对称量精度带来的影响，避免了秤盘和秤体的磨损，提高了装置的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提出的一种自适应磁悬浮电子天平的结构示意图；
图2为本发明提出的一种自适应磁悬浮电子天平中永磁环的结构示意图；
图3为本发明提出的一种自适应磁悬浮电子天平中悬浮磁铁的结构示意图；
图4为本发明提出的一种自适应磁悬浮电子天平结构的俯视图。
图中：1、称重盘；2、悬浮磁铁；3、永磁环；4、电涡流传感器；5、线圈；6、霍尔传感器；7、底板；8、固定螺丝；9、支脚；10、螺丝孔；11、电路板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1-图4，一种自适应磁悬浮电子天平，包括永磁环3，永磁环3的上方粘贴有电路板11，电路板11的上方安装有四个电磁线圈5，四个电磁线圈5分别放置于永磁环3内部水平和竖直中心对称位置，电磁线圈5的一侧安装有电涡流传感器4，电路板11的结构包括与电磁线圈5相连的驱动电路，将12V的输入电压转换为供单片机使用的5V电压的电源稳压电路，以及与霍尔传感器6相连的放大电路，霍尔传感器6安装在四个电磁线圈5的中心位置。其中，用于检测X和Y方向的两个霍尔传感器6垂直电路板11放置，用于检测Z方向是否放置悬浮磁铁的霍尔传感器6需要将引脚折弯，将带有丝印的一面朝上且平行于电路板11放置，用于检测X和Y方向的两个霍尔传感器6的安装高度为四个电磁线圈5高度的一半，用于检测Z方向的霍尔传感器6的安装高度略高于检测X和Y方向的两个霍尔传感器。电路板11的一端连接单片机，单片机另一端连接显示屏，电磁线圈5的上方放置悬浮磁铁2，悬浮磁铁2的上方粘有铁质材料的圆形秤重盘1。
其中，磁悬浮浮子，即悬浮磁铁2放置在永磁环3的上方，悬浮磁铁上方粘贴有圆形称重盘1，永磁环3与圆形称重盘1相互不接触，消除了摩擦力带来的称量误差的影响。电涡流传感器4检测圆形称重盘1的位置，当圆形称重盘1上放置被测物体时，称重盘1和磁悬浮浮子会随着重量的增加位置向下移动，使得浮子受到永磁环3的磁力发生变化，通过电涡流传感器4检测悬浮物体的位移发生变化，与初始位移做对比，形成闭环控制，通过增加电磁线圈5的电流，使悬浮物体恢复到初始的悬浮位置，进而使得圆形称重盘1能够在同一位置处保持平衡，消除永磁环磁场变化对悬浮磁铁造成的非线性影响。
更具体地，支撑机构包括支脚9，支脚9通过固定螺丝8与底板7相连，支脚9的两端有与固定螺丝8对应的螺丝孔10，底板7的底部有可调节的与固定螺丝相连的螺丝孔10。
支脚9通过固定螺丝8与底板7相连，目的是为了调节支脚9在底板7上面的位置，方便调节两个支脚9之间的距离，以供不同的情况下使用。
更具体地，悬浮磁铁2的材质是钕铁硼永磁材料。
更具体地，悬浮磁铁2半径为12mm，厚度为7mm,悬浮高度为10mm。
更具体地，永磁环3的材质是铁氧体永磁材料。
更具体地，永磁环3的内径为62mm，外径为100mm，厚度为10mm。
更具体地，霍尔传感器6的放置高度为电磁线圈5高度的一半。
更具体地，霍尔传感器6和电磁线圈均放置在电路板11上。
更具体地，线圈5的骨架内径为10mm，外径为22mm，高度为16mm。
更具体地，永磁环3的表面粘有绝缘胶布。
永磁环3的表面粘有绝缘胶布，是为了做好永磁环3和电路板11之间的绝缘。
本发明中，首先选取已知重量的物体，通过万用表读取线圈上的电流值，根据多组数据画出相应的重量和电流之间的关系图I＝km+b，其中k为图中任意两点之间斜率的算术平均值，再根据b＝I-km求得常数b的算术平均值。进而可以根据m＝(I-b)/k，即未知物体重量的电流值，求得被测物体的重量。当需要使用该电子天平对未知被测物体进行称重时，将总电源打开，待系统稳定之后，将被测物体放置在圆形称重盘1上，此时系统将会通过单片机自动计算被测物体的重量，并在外接显示屏上显示。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，包括：永磁环(3)，永磁环(3)的上方粘贴有电路板(11)，电路板(11)的上方安装有四个电磁线圈(5)，四个电磁线圈(5)分别放置于永磁环(3)内部水平和竖直中心对称位置，电磁线圈(5)的一侧安装有电涡流传感器(4)，电路板(11)的结构包括与电磁线圈(5)相连的驱动电路，将12V的输入电压转换为供单片机使用的5V电压的电源稳压电路，以及与霍尔传感器(6)相连的放大电路，霍尔传感器(6)安装在四个电磁线圈(5)的中心位置，其中，用于检测X和Y方向是否放置浮子的两个霍尔传感器(6)垂直电路板(11)放置，用于检测Z方向是否放置浮子的霍尔传感器(6)需要将引脚折弯，将带有丝印的一面朝上且平行于电路板(11)放置，用于检测X和Y方向的两个霍尔传感器(6)的安装高度为四个电磁线圈(5)高度的一半，用于检测Z方向的霍尔传感器(6)的安装高度略高于检测X和Y方向的两个霍尔传感器；电路板(11)的一端连接单片机，单片机另一端连接显示屏，电磁线圈(5)的上方放置悬浮磁铁(2)，悬浮磁铁(2)的上方粘有称重盘(1)。
2.根据权利要求1所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，所述电涡流传感器(4)检测圆形称重盘(1)的位置，当圆形称重盘(1)上放置被测物体时，称重盘(1)和悬浮磁铁(2)会随着重量的增加位置向下移动，使得悬浮磁铁(2)受到永磁环(3)的磁力发生变化，通过电涡流传感器(4)检测悬浮物体的位移发生变化，与初始位移做对比，形成闭环控制，通过增加电磁线圈(5)的电流，使悬浮物体恢复到初始的悬浮位置，进而使得圆形称重盘(1)能够在同一位置处保持平衡，消除永磁环磁场变化对浮子造成的非线性影响。
3.根据权利要求1所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，所述永磁环底部连接底板(7)，底板(7)通过固定螺丝(8)与支脚(9)相连，支脚(9)的两端有与固定螺丝对应的螺丝孔，底板(7)的底部有可调节的与固定螺丝相连的螺丝孔，能够调节支脚(9)在底板(7)上面的位置，方便调节两个支脚(9)之间的距离，以供不同的情况下使用。
4.根据权利要求1所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，所述悬浮磁铁(2)的材质是钕铁硼永磁材料。
5.根据权利要求4所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，所述悬浮磁铁(2)半径为12mm，厚度为7mm，悬浮高度为10mm。
6.根据权利要求1所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，所述永磁环(3)的材质是铁氧体永磁材料，其表面粘有绝缘胶布。
7.根据权利要求6所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，永磁环(3)的内径为62mm，外径为100mm，厚度为10mm。
8.根据权利要求1所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，所述霍尔传感器(6)的放置高度为电磁线圈(5)高度的一半，所述霍尔传感器(6)和电磁线圈均放置在电路板(11)上。
9.根据权利要求1所述的一种自适应磁悬浮电子天平，其特征在于，所述电磁线圈(5)的骨架内径为10mm，外径为22mm，高度为16mm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种自适应磁悬浮电子天平的称重方法，其特征在于，首先选取已知重量的物体放置于称重盘上，通过万用表读取电磁线圈上的电流值，根据多组数据画出相应的重量和电流之间的关系图I＝km+b，求出k值，其中k为图中任意两点之间斜率的算术平均值，再根据b＝I-km求得常数b的算术平均值；
称重任意未知物体的重量时，将总电源打开，待系统稳定之后，将被测物体放置在圆形称重盘(1)上，此时系统将会通过单片机自动计算被测物体的重量，单片机根据m＝(I-b)/k，由未知物体重量的电流I值，求得被测物体的重量，并在外接显示屏上显示；
上述称重过程中，当圆形称重盘(1)上放置被测物体时，称重盘(1)和悬浮磁铁(2)会随着重量的增加位置向下移动，使得悬浮磁铁(2)受到永磁环(3)的磁力发生变化，通过电涡流传感器(4)检测悬浮物体的位移发生变化，与初始位移做对比，形成闭环控制，通过增加电磁线圈(5)的电流，使悬浮物体恢复到初始的悬浮位置，进而使得圆形称重盘(1)能够在同一位置处保持平衡，消除永磁环磁场变化对浮子造成的非线性影响。
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