电子分析天平温漂与时漂的自动补偿

　　电子分析天平是一种智能化质量计量仪器,是广泛应用于国防、科研、工厂、实验室的质量计量标准器具,具有称量快速、操作简单、自动校准、故障自诊断等多种机械天平所无法具备的功能与优越性。由于计量精密,灵敏度高,温漂与时漂成为影响电子分析天平计量性能的主要因素。以作者研制的TMP-200电子分析天平为例,其称量范围0~200g,感量为0·0001g,允许称量误差为0·0002g。对于如此精密的计量仪器,传感器和电路在工作过程中的温度影响,仪器随工作时间而产生的某些参数的变化,以及气流、振动、电磁干扰等环境因素的影响,都会使电子分析天平产生漂移。其中,气流、振动、电磁干扰等环境因素的影响可以通过对电子分析天平的使用条件加以约束,将影响程度减少到最低限度。而温漂和时漂主要是来自天平内部的自身影响和环境温度的影响,其形成的原因复杂,产生的漂移大,必须加以抑制。

　　本文在介绍电子分析天平工作原理的基础上,分析温漂、时漂产生的原因,从传感器、电路、软件等几方面给出抑制漂移的行之有效的方法。

　　1　电子分析天平的工作原理

　　电子分析天平的原理结构框图如图1所示。图中虚线方框内为天平的电磁力平衡传感器。称盘加载前,拉簧的拉力与称盘、立柱、可动线圈(简称动圈)、遮光片等可动部分的重力相当,电磁力平衡传感器处于初始平衡状态,发光二极管D1的发光被遮光片完全挡住,光敏电池D2的输出电压为0。

　　称盘加载后,被称量物体的质量m使电磁力平衡传感器的可动部分发生位移。遮光片位移后使光敏电池D2产生电压输出信号,该电压信号经PID调节放大,变成与被称量质量m成正比的电流I并流经动圈。载流动圈在永磁体的磁场作用下,将产生向上的力F,使电磁力平衡传感器的可动部分向上移动。遮光片向上移动后,光敏电池的电压输出信号减少, PID积分环节使流经动圈的电流I继续增大,直至可动部分回到初始平衡的位置,光敏电池D2的输出电压为0。此时,动圈电流I在永磁体磁场作用下产生的力F与被称量物体的重力相当,传感器处于平衡状态。于是有

　　F = BLI = mg (1)

　　式中,B为永磁体气隙中的磁感应强度;B为动圈的导线长度;g为重力加速度。由式(1)有

　　式(2)为电子分析天平质量计量的基本数学模型。

　　图1中,RN是电磁力平衡传感器输出的取样电阻,动圈电流流经RN产生的取样电压信号经调节放大,成为与m成正比的0~5V直流电压信号送单片机系统的A/D转换口,由单片机进行数据处理后,送显示、打印,输出测量结果。