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].