一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)，包括單體傳感器、電磁力平衡機構(gòu)、光電檢測傳感器、PID比例控制電路、溫濕度傳感器、磁缸線圈信號調(diào)理電路、CPU微處理器電路和液晶顯示電路；所述的單體傳感器設置在電磁力平衡機構(gòu)的上方并與電磁力平衡機構(gòu)中的磁缸固定連接。本發(fā)明的有益效果是：通過在單體傳感器長桿的尾部下方安裝線圈并置于磁缸中與磁缸耦合，光電檢測機構(gòu)檢測位移機構(gòu)的位移量，高精度測量控制電路采用電磁力反饋平衡零位法原理處理光電檢測機構(gòu)產(chǎn)生的電壓信號，使線圈產(chǎn)生電流進行反饋調(diào)節(jié)，位移機構(gòu)恢復到初始位置并保持平衡狀態(tài)時測出所稱量重物的質(zhì)量。具有稱量精度高、速度快、穩(wěn)定性和可靠性好等優(yōu)點。
【專利說明】 一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天平，特別是涉及一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進步和制造工藝水平的提聞，各行業(yè)對聞精度稱量的要求不斷提聞，例如在生物醫(yī)學工程和生物制藥等領(lǐng)域，經(jīng)常會遇到微小質(zhì)量分析，在化學領(lǐng)域，經(jīng)常需要精確反應物的質(zhì)量，在工業(yè)生產(chǎn)中，也常常需要精確材料的質(zhì)量。但是，目前市場上的價格較低的電子天平普遍具有稱量精度低、穩(wěn)定性和可靠性差等缺點，而高精度、穩(wěn)定性和可靠性好的天平卻往往價格昂貴。造成這一現(xiàn)象的原因主要是電子天平測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的制約，特別是傳感器及相應稱量電路的制約。對此， 申請人:對高精度天平測量系統(tǒng)進行了設計與研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度電子天平測量系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)，包括單體傳感器、電磁力平衡機構(gòu)、光電檢測傳感器、PID比例控制電路、溫濕度傳感器、磁缸線圈信號調(diào)理電路、CPU微處理器電路和液晶顯示電路；所述的單體傳感器設置在電磁力平衡機構(gòu)的上方并與電磁力平衡機構(gòu)中的磁缸固定連接；光電檢測傳感器通過PID比例控制電路與電磁力平衡機構(gòu)中的磁缸線圈電連接；磁缸線圈信號調(diào)理電路和溫濕度傳感器分別與CPU微處理器電路電連接，CPU微處理器電路的輸出與液晶顯示電路電連接。
[0005]所述電磁力平衡機構(gòu)包括磁缸、導電線圈，所述導電線圈位于單體傳感器的長桿尾部的圓形部位的下方，且置于磁缸內(nèi)。
[0006]所述的CPU微處理器采用的型號是MSP430，磁缸線圈信號調(diào)理電路與CPU微處理器電路之間設置有A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，采用的型號是CS5532。
[0007]所述的液晶顯示電路采用7-9位液晶顯示器
[0008]本發(fā)明的有益效果是:該高精度天平通過在單體傳感器長桿的圓形部分下方安裝線圈并將線圈置于磁缸中與磁缸耦合，光電檢測機構(gòu)用于檢測位移機構(gòu)的位移量，高精度測量控制電路采用電磁力反饋平衡零位法原理處理光電檢測機構(gòu)產(chǎn)生的電壓信號，通過使線圈產(chǎn)生電流進行反饋調(diào)節(jié)，使位移機構(gòu)恢復到初始位置并保持平衡狀態(tài)并測出所稱量重物的質(zhì)量。實現(xiàn)了重物質(zhì)量的高精度稱量，具有稱量精度高、稱量速度快、穩(wěn)定性和可靠性好等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是本發(fā)明用于稱量的單體傳感器機械結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖3是位移機構(gòu)不意圖；
[0012]圖4是為PID調(diào)節(jié)電路；
[0013]圖5是導電線圈信號調(diào)理電路信號流程圖；
[0014]圖6是24位A/D數(shù)據(jù)采集電路；
[0015]圖7是MSP430微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明:
[0017]如圖1所示，一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)，包括單體傳感器、電磁力平衡機構(gòu)、光電檢測傳感器、PID比例控制電路、溫濕度傳感器、磁缸線圈信號調(diào)理電路、CPU微處理器電路和液晶顯示電路；所述的單體傳感器設置在電磁力平衡機構(gòu)的上方并與電磁力平衡機構(gòu)中的磁缸固定連接；光電檢測傳感器通過PID比例控制電路與電磁力平衡機構(gòu)中的磁缸線圈電連接；磁缸線圈信號調(diào)理電路和溫濕度傳感器分別與CPU微處理器電路電連接，CPU微處理器電路的輸出與液晶顯示電路電連接。所述電磁力平衡機構(gòu)包括磁缸52及單體傳感器的長桿19尾部的圓形部位51下方放置的與圓形部位固定的導電線圈53，導電線圈53置于磁缸52內(nèi)與磁缸52耦合，并且磁缸線圈與高精度測量控制電路通過導線連接，光電檢測機構(gòu)54用于檢測單體傳感器位移機構(gòu)的位移并發(fā)出偏離平衡位置的電流信號，由高精度測量控制電路處理稱量重物時光電檢測機構(gòu)產(chǎn)生的電信號發(fā)送給磁缸線圈53,并根據(jù)磁缸線圈電流與磁缸52磁場的相互作用進行PID調(diào)節(jié),使磁缸線圈維持在初始位置。
[0018]如圖2、圖3所示，所述單體傳感器其機械結(jié)構(gòu)是在本體上一體形成有羅伯威爾機構(gòu)100、位移機構(gòu)200、支撐結(jié)構(gòu)300，所述的羅伯威爾機構(gòu)100、位移機構(gòu)200和支撐結(jié)構(gòu)300是在一長方體合金金屬塊本體上通過剔除多余部分成型的，所述羅伯威爾機構(gòu)100的剛體支架形成于本體的一側(cè)，其上方承重剛體15為稱重支撐，沿所述羅伯威爾機構(gòu)100的剛體支架內(nèi)側(cè)面101形成有所述位移機構(gòu)200，該位移機構(gòu)200的連接長桿19在本體內(nèi)向所述羅伯威爾機構(gòu)100的剛體支架相對一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)300延伸。支撐結(jié)構(gòu)300位于本體對應羅伯威爾機構(gòu)100的另一側(cè)的兩個側(cè)面和底部位置，其兩個側(cè)面是一對應的側(cè)壁，側(cè)壁的一端上、下分別設有凸臺用來連接柔性鉸鏈以及剛體變形的空間。
[0019]所述羅伯威爾機構(gòu)100包括:柔性鉸鏈3、4、5、6、7、8、9、10，連接柔性鉸鏈3，7的外側(cè)剛體上梁、連接柔性鉸鏈4，8的內(nèi)側(cè)剛體上梁、連接柔性鉸鏈5，9的外側(cè)剛體下梁、連接柔性鉸鏈6，10的內(nèi)側(cè)剛體下梁，所述承重剛體15四角分別連接各柔性鉸鏈7、8、9、10，柔性鉸鏈3、4、5、6、7、8、9、10的轉(zhuǎn)動中心線均處于水平面上,且相互平行；所述柔性鉸鏈3、4的端部分別與支撐結(jié)構(gòu)300側(cè)壁上的上凸臺30、31連接，且在連接處分別水平連接有延長剛體20、21，所述延長剛體20、21的端部分別設有調(diào)節(jié)孔I和孔2，對應所述調(diào)節(jié)孔I和孔2的支撐結(jié)構(gòu)300側(cè)壁上分別對應設置有調(diào)節(jié)螺釘孔；所述柔性鉸鏈5、6的端部分別與支撐結(jié)構(gòu)300側(cè)壁上的下凸臺(圖中未標注)連接。
[0020]所述位移機構(gòu)200包括:柔性鉸鏈11、12、13、14，連接柔性鉸鏈11的第一剛體16，連接柔性鉸鏈11、12、14的第二剛體17，連接柔性鉸鏈12、13的第三剛體18，剛體長桿19，所述第一剛體16與所述羅伯威爾機構(gòu)100的剛體支架內(nèi)側(cè)面101連接，所述第三剛體18的一端柔性鉸鏈12連接所述剛體長桿19 ;所述第一剛體16與所述羅伯威爾機構(gòu)100的剛體支架內(nèi)側(cè)面101連接，所述第三剛體18的一端柔性鉸鏈12連接所述剛體長桿19 ;所述柔性鉸鏈14的另一端剛體連接所述支撐結(jié)構(gòu)300的底板，其柔性鉸鏈14兩側(cè)剛體的上下表面所處平面與水平面呈45度方向設置，所述第一剛體16上的柔性鉸鏈11沿豎直方向設置所述第三剛體18上的柔性鉸鏈12、13分別水平方向設置，所述第一剛體16和第二剛體17上的柔性鉸鏈11、14的鉸鏈中心位于同一條水平直線上，所述第二剛體17和第三剛體18上的柔性鉸鏈12、13、14的鉸鏈中心位于同一條豎直直線上，且第一剛體16和第三剛體18上的柔性鉸鏈11、12、13的柔度與各自鉸鏈中心到第二剛體17上的柔性鉸鏈14的中心的距離成正比。
[0021]調(diào)節(jié)孔1、2的位置位于柔性鉸鏈3、4的對稱中心線上。調(diào)節(jié)孔1、2為通孔且孔下方的支撐結(jié)構(gòu)上設有螺紋孔，可方便安裝調(diào)節(jié)螺釘，改變調(diào)節(jié)孔1、2的豎直方向的位置。通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘改變孔1、2所在的梁20、21與下面剛體結(jié)構(gòu)的距離，可實現(xiàn)羅伯威爾機構(gòu)的兩側(cè)的平衡性微調(diào)。
[0022]所述位移限位機構(gòu)500包括:在位移機構(gòu)的剛體長桿19的端部設置有擋塊501、擋柱504和505，在支撐結(jié)構(gòu)300的端部設置擋槽502和503，擋塊501和剛體長桿19為同一剛體結(jié)構(gòu)，擋柱504和505分別位于檔槽502和503內(nèi)并通過螺紋結(jié)構(gòu)與擋塊501連接，檔槽與檔柱之間的間隙作為預留位移限位長度。擋塊上設置安裝檔柱用螺紋孔，在支撐結(jié)構(gòu)的端部設置擋槽，檔柱位于擋槽內(nèi)，檔柱與檔槽之間的間隙為位移機構(gòu)的限位長度。
[0023]應用該傳感器時，首先在羅伯威爾機構(gòu)的左端長方體承重剛體15的上水平面中心位置上通過螺紋機構(gòu)安裝固定托盤，如果沒有羅伯威爾機構(gòu)的下半部分，若重物沒有放置在托盤中心，便會產(chǎn)生圍繞托盤支點的旋轉(zhuǎn)力矩，產(chǎn)生造成測量誤差；羅伯威爾機構(gòu)的下半部分通過產(chǎn)生平衡力矩防止承重剛體15發(fā)生傾斜，使位移機構(gòu)避免因除重物垂直向下的力以外的力和力矩產(chǎn)生額外的位移，從而避免了該部分誤差。由于承受重物時，隨著承重剛體15的下移，鉸鏈14將產(chǎn)生變形，隨著鉸鏈14的變形，鉸鏈11，12，13也隨之產(chǎn)生變形，鉸鏈7、8、9、10也產(chǎn)生隨承重剛體15相同的下移量，由于鉸鏈3、4、5、6與鉸鏈7、8、9、10之間具有剛體梁，鉸鏈3、4、5、6、7、8、9、10的彎曲量遠小于鉸鏈11、12、13、14的彎曲。因此，位移機構(gòu)通過鉸鏈的旋轉(zhuǎn)平衡所測質(zhì)量，提高了測量精度。通過鉸鏈11、12、13、14的變形，便可使長桿19與水平面產(chǎn)生一個角度。由于長桿具有一定的長度，因此，在長桿的一端將產(chǎn)生一定量的位移，并且該位移與重物的質(zhì)量近似為線性相關(guān)，通過設置鉸鏈11、12、13、14的位置，可使鉸鏈11、12、13的旋轉(zhuǎn)角度相近，減小了由柔性鉸鏈產(chǎn)生的非線性，因此本傳感器可實現(xiàn)高精度的質(zhì)量測量。位移量由電磁力平衡機構(gòu)轉(zhuǎn)換為電信號，通過對電信號的處理和檢測，得到被稱物體的質(zhì)量。
[0024]調(diào)節(jié)螺釘可通過孔1、2與下方剛體上的螺紋孔實現(xiàn)螺紋機構(gòu)，調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘使孔1、2所在的梁20、21的位置產(chǎn)生豎直方向位移，該位移通過上凸臺30、31支點傳遞給羅伯威爾機構(gòu)，，使羅伯威爾機構(gòu)兩側(cè)在垂直方向上產(chǎn)生微小位移，可在本傳感器安裝時對于兩側(cè)處于非平衡狀態(tài)時的羅伯威爾機構(gòu)進行平衡調(diào)平。
[0025]在安裝傳感器時，先在稱重傳感器的底部支撐結(jié)構(gòu)剛體部分通過安裝孔將傳感器固定到天平基座上(示意圖中未畫出和標注)，然后通過羅伯威爾機構(gòu)右端承重剛體15上水平面的螺紋孔安裝托盤固定結(jié)構(gòu)(示意圖中未畫出和標注)，然后通過調(diào)節(jié)螺釘對天平的羅伯威爾機構(gòu)兩側(cè)的平衡狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。
[0026]在位移機構(gòu)的剛體長桿19的端部位置設置位移限位機構(gòu)500且為剛體，由于柔性鉸鏈的最薄處很薄，因此過大的變形會使柔性鉸鏈的材料產(chǎn)生屈服應力，因此常常需要控制位移機構(gòu)的最大位移，以防過載，因此，可通過控制位移限位機構(gòu)500對位移機構(gòu)的最大位移進行限位，本申請是在天平基座上給位移機構(gòu)19設置剛體限位機構(gòu)，當其與位移限位機構(gòu)接觸時便停止繼續(xù)向上運動，防止過載。
[0027]磁缸線圈固定于單體傳感器的剛體長桿19的一端的圓形部分51的下方并置于同樣位于單體傳感器的剛體長桿19的一端的圓形部分51的下方但固定在剛體300上的磁缸52中，并且磁缸線圈通過導線與高精度測量控制電路的相連。光電檢測機構(gòu)由光電檢測傳感器54及光電檢測電路構(gòu)成，檢測單體傳感器的位移機構(gòu)的位移量并轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號輸入高精度測量控制電路中。如圖4至圖7所示，電壓信號作為輸入信號輸入到高精度測量控制電路的PID調(diào)節(jié)電路，該PID調(diào)節(jié)電路，該電路的PID反饋調(diào)節(jié)部分由集成運算放大器，1Q14，1Q15，1R15，1C6，1R16，1R31，1R17，1C8，IC9組成。該電路接收到輸入信號后，通過PID調(diào)節(jié)原理進行調(diào)節(jié)，向磁缸線圈輸出一個與被稱物體的質(zhì)量m成正比的電流，線圈在磁缸永磁體52的磁場作用下,將產(chǎn)生向上的力F,使電磁力平衡機構(gòu)的可動部分19、
51、53向上移動，使光電檢測電路的輸出電壓減少，PID積分環(huán)節(jié)使流經(jīng)線圈的電流繼續(xù)增大，直至可動部分恢復到初始平衡的位置。當磁缸線圈處于平衡狀態(tài)后，通過由信號調(diào)理電路通過整形濾波后并將電壓進行差分放大并轉(zhuǎn)化為電壓值可由24位A/D數(shù)據(jù)采集電路所處理的電壓信號，再將該信號輸出到24位A/D數(shù)據(jù)采集電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，24位A/D數(shù)據(jù)采集電路的主要部件為24位高精度A/D轉(zhuǎn)化器CS5532以及可提供高精度穩(wěn)定參考電壓的AD780，24位A/D數(shù)據(jù)采集電路將信號調(diào)理電路輸出的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號輸入到MSP430微處理器系統(tǒng)進行處理，MSP430微處理器系統(tǒng)根據(jù)24位A/D數(shù)據(jù)采集電路輸出的數(shù)值及與MSP430相連的溫濕度傳感器此時所測量的溫度濕度值進行運算處理并最終得出所稱量重物的質(zhì)量，最后通過與MSP430微處理器系統(tǒng)相連的7-9位液晶顯示電路顯示測量結(jié)果。
[0028]本高精度天平的原理是:通過調(diào)節(jié)螺釘對天平的羅伯威爾機構(gòu)兩側(cè)的平衡狀態(tài)進行調(diào)節(jié)后，在托盤上放置重物。加載前，電磁力平衡機構(gòu)處于初始平衡狀態(tài)。加載后，被稱量物體的質(zhì)量通過位移機構(gòu)使電磁力平衡機構(gòu)的可動部分發(fā)生位移，位移量的大小與光電傳感器的光電流成正比，光電流信號經(jīng)光電檢測電路轉(zhuǎn)換為電壓信號。電壓信號通過高精度測量控制電路通過PID調(diào)節(jié)，向磁缸線圈提供一個與被稱物體的質(zhì)量m成正比的電流，線圈在磁缸永磁體的磁場作用下，將產(chǎn)生向上的力F,使電磁力平衡機構(gòu)的可動部分向上移動，使光電檢測電路的輸出電壓減少，PID積分環(huán)節(jié)使流經(jīng)線圈的電流繼續(xù)增大，直至可動部分恢復到初始平衡的位置。此時，線圈電流在永磁體磁場作用下產(chǎn)生的力F與被稱量物體的質(zhì)量相等，傳感器處于平衡狀態(tài)。此時流過載流線圈的電流，通過取樣經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后轉(zhuǎn)換為能被24位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的大小合適的電壓信號并送往24位A/D數(shù)據(jù)采集電路，微處理器對采集到的稱重數(shù)據(jù)及此時所采集的溫濕度傳感器測得的溫度濕度值進行數(shù)字濾波、漂移補償、線性處理后得到所稱量重物的質(zhì)量，并將該質(zhì)量數(shù)據(jù)通過液晶顯示電路送往7-9位多功能液晶顯示器進行測量結(jié)果顯示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)，其特征是:包括單體傳感器、電磁力平衡機構(gòu)、光電檢測傳感器、PID比例控制電路、溫濕度傳感器、磁缸線圈信號調(diào)理電路、CPU微處理器電路和液晶顯示電路；所述的單體傳感器設置在電磁力平衡機構(gòu)的上方并與電磁力平衡機構(gòu)中的磁缸固定連接；光電檢測傳感器通過PID比例控制電路與電磁力平衡機構(gòu)中的磁缸線圈電連接；磁缸線圈信號調(diào)理電路和溫濕度傳感器分別與CPU微處理器電路電連接，CPU微處理器電路的輸出與液晶顯示電路電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)，其特征是:所述電磁力平衡機構(gòu)包括磁缸(52)、導電線圈(53)，所述導電線圈(53)位于單體傳感器的長桿(19)尾部的圓形部位(51)的下方，且置于磁缸(52)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)，其特征是:所述的CPU微處理器采用的型號是MSP430，磁缸線圈信號調(diào)理電路與CPU微處理器電路之間設置有A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，采用的型號是CS5532。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于單體傳感器的高精度電子天平測量系統(tǒng)，其特征是:所述的液晶顯示電路采用7-9位液晶顯示器。
【文檔編號】G01G7/02GK104374454SQ201410648140
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】劉慶綱, 馬文起, 馬廣慧, 孫庚 , 劉睿旭, 劉美歐, 劉超, 秦自瑞 申請人:天津大學, 天津天馬衡基儀器有限公司