电子分析天平的非线性影响与补偿方法研究
1 引 言
示值误差是电子分析天平的关键技术指标[1],其主要来源于电磁力平衡传感器、取样电阻的非线性,其中电磁力平衡传感器结构分散性、机电平衡特性以及永磁体、动圈、取样电阻的稳定性是构成电子分析天平非线性影响的最主要因素[2-5]。我国现有电子分析天平非线性调整主要依靠硬件电路实现,过程烦琐,生产成本高,示值误差很难保证[2-4]。国内外学者提出的铂电阻、热电偶等传感器最小二乘法[6]、神经网络方法[7-9],以及电磁力平衡传感器神经网络补偿方法[4]等非线性补偿方法,比较好地解决了传感器的非线性问题,改了传感器的非线性。但这些补偿方法均未充分考虑传感器硬件参数的优化,且补偿算法复杂,不易于生产与现场实现。
为此,本文深入研究了电磁力平衡传感器的动圈平衡位置、工作电流、取样电阻参数特性、永磁体性能等非线性影响因素,针对上述影响与电子分析天平生产实际,提出了电磁力平衡传感器机械平衡优化与空间限位、取样电阻与传感器匹配、传感器多点温度测量等设计方法,建立了电子分析天平非线性影响的牛顿插值补偿算法,实现了便于天平生产调试的非线性补偿方法。量程210 g、分辨力 0. 1 mg 的电子分析天平采用上述方法补偿后,全量程示值误差≤ ± 0. 3 mg,优于国家标准《JJG1036—2008 电子天平检定规程》规定的一级天平示值误差指标[1]。
2 电子分析天平的非线性影响
2. 1 电子分析天平工作原理
电子分析天平工作原理如图 1 所示。物体加载前,电磁力平衡传感器闭环结构处于初始平衡状态。物体加载后,被称物体的质量 m 使电磁力平衡传感器内可动部件遮光片向下移动,光敏二极管 D2 感应到 D1 发出的光,产生电流信号,并经 I/V 转换为电压信号,通过 PID 调节,转变成与被称物体质量 m 成正比的电流 I 并驱动动圈。载流动圈在永磁体的磁场作用下,产生向上的力 F,使遮光片向上移动,光敏二极管输出的电流信号减少,PID 积分环节使流经动圈的电流 I 继续增大,直至可动部件遮光片回到初始平衡的位置,光敏二极管 D2 输出的电流为 0。此时,动圈在电流 I 与永磁体磁场共同作用下产生的力 F 与被称物体的重力相当,传感器处于平衡状态[2-3]。即:
F = BLI = mg ( 1)
式中: B 为永磁体气隙中的磁感应强度,L 为动圈的导线长度,g 为重力加速度。
由式( 1) 有:
m = BLI / g ( 2)
式( 2) 即为电子分析天平质量称量的数学模型[2-3].
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