基于LabVIEW的电子分析天平管理系统设计

　　0　引言

　　质量是表征物体的最基本特征,质量及其测量在国民经济建设的许多方面都有着广泛的应用,是保证生产、生活、科学研究的重要手段。电子天平是通过物体在地球引力作用下产生的重力效应来侧面反映物体质量的仪器,具有数字显示、称量准确度高、响应速度快、稳定性好、全自动校准、操作方便等特点,广泛应用于科研、高等院校、工厂、实验室的质量计量标准器具[1]。

　　LabVlEW是一种基于G语言(GraPhjcsLanguage,图形化编程语言)的虚拟仪器开发平台[2]。LabVlEW利用高效灵活的软件来实现各种测试、测量及其自动化、简化仪器硬件结构、降低仪器生产成本、丰富仪器的智能化、自动化功能。虚拟仪器运用到电子天平体系中,提高数据计量的准确度、强化数据处理能力、实现物体质量的快速在线检测。

　　1　称量原理

　　电子分析天平是采用电磁力平衡传感器,利用电磁力与被测物体的重力相平衡的原理来测量的,电子分析天平内部结构如图1所示。

　　图1中虚线方框内为电磁力平衡传感器。称盘加载前,电磁力平衡传感器处于初始平衡状态,光敏二极管D2感应不到发光二极管D1发出的光。当被测重物被置于称盘上或卸下称盘时,被称量物体的重量使电磁力平衡传感器的可动部分发生位移,从而带动遮光片移位,使光敏二极管D2感应到D1发出的光,光信号经光电检测电路转换为电压信号。电压信号通过PID调节,向线圈提供一个与被称物体的质量m成正比的电流I.电磁力发生器在电流作用下将产生一个与可动部分位移方向相反的电磁力F,使电磁力平衡传感器的可动部分带动遮光片向初始平衡位置移动。使光电检测电路的输出电流减少,PID积分环节使流经线圈的电流I继续增大,直至可动部分恢复到初始平衡的位置,光电检测电路输出电流为零。此时,线圈电流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等,传感器处于平衡状态[3]。可以用下式表示:

式中:K为常数(与使用单位有关);B为永磁体气隙中的磁感应强度;L为线圈的导线长度;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数学模型。在图1中,流过载流线圈的电流I通过取样电阻RN转换为电压信号,经信号调理电路后送数据采集电路,微处理器对采集到的称重数据进行数字滤波、漂移补偿、线性处理后输出并显示。电子分析天平主要由电磁力平衡部分、温度检测部分、人机接口及通信等部分组成[3]。仪器以超低功耗单片机MSP430F449为核心信息处理器,AD转换器选用24位高精度、低噪声、双通道的CS5532,提高系统可靠性[4, 5]。