电子分析天平详细介绍

电子分析天平是一种集传感器技术、电磁学、模拟与数字电子技术、智能信息处理、材料、结构力学、精密机械与制造等多学科技术的高尖端精密计量仪器，是广泛应用于国防、医药、质量控制、实验室等领域的质量计量标准器具。电子分析天平的核心部件是电磁力平衡传感器。

国内传感器的设计仍停留在仿制阶段，缺乏基础研究，传感器输出的灵敏度、稳定度、一致性等性能难以保证。因基础材料、精密制造工艺水平的制约，电磁力平衡传感器的敏感部件—簧片与永磁体材料分散性大，导致电子分析天平漂移量大、稳定性差、响应时间长、示值误差大。

为此，国内学者开展了漂移补偿、非线性补偿、信息处理等一系列研究以保证电子分析天平的计量性能。但是，这些研宄缺乏对电磁力平衡传感器机械称重机构与永磁体磁路机构等基础设计与研宄，缺少对电子分析天平漂移机理与非线性影响的全面分析以及有效的智能检测和信息处理方法研宄，无法弥补材料与精密制造工艺水平缺陷对电子分析天平计量性能的影响。

本文立足国内现有的基础材料、精密制造工艺水平，针对现有电子分析天平研宄的不足，主要开展了如下几个方面工作：

（１）针对现有的电磁力平衡传感器基础研究缺乏的问题，建立了传感器机械称重机构的受力模型，根据能量守恒定律求解了机械称重机构的等效刚度，优化设计了敏感部件承重簧片、支点簧片和吊带簧片的尺寸，有效保证了传感器的灵敏度与稳定度指标；设计了一种位置检测机构，保证了可分辨出最小分度质量在机械称重机构上产生的最小位移量；优化设计了线圈组件参数和永磁体磁路结构的最佳尺寸，构建了基于ＡＮＳＹＳ的永磁体磁路结构工程模型，理论分析与仿真实验验证了优化设计后的永磁体磁路结构的合理性，确保了单线圈永磁体磁路机构性能的最优化，有效降低了线圈电流磁效应与热效应影响，提高了传感器输出的一致性。

（２）针对现有电子分析天平温度漂移与时间漂移补偿方法落后、示值漂移大的缺陷，深入分析了电子分析天平温度漂移与时间漂移机理。设计了一种差分反馈式光电检测电路与低温度漂移的恒流源接收电路，克服了温度对机电平衡位置的影响；采取了永磁体磁性能改善、智能化校准、元器件优化等多项措施，有效降低了电子分析天平的时漂影响；针对永磁体、线圈等温度敏感部件温漂大、温度无法直接检测的问题，构建了基于ＡＮＳＹＳ的电磁力平衡传感器温度场有限元热分析模型，深入研究了线圈发热与热对流作用下的永磁体与线圈的温升特性，建立了基于多点温度检测的永磁体与线圈温度软测量数学模型；结合温度漂移试验研宄，构建了基于二元线性回归的电子分析天平温漂与永磁体、线圈温升之间ｎ博士学位论文的数学模型，提出了基于多点温度软测量、三温度点标定、二元线性回归的电子分析天平温度漂移自动补偿方法。结合时间漂移试验研究，提出了一种基于零位跟踪技术的电子分析天平时间漂移自动补偿方法。上述方法有效地解决了永磁体材料分散性带来的影响，实现了电子分析天平温漂与时漂的自动补偿。

（３）针对现有的电子分析天平非线性补偿方法复杂、示值误差大的缺陷，深入分析了线圈电流磁效应与热效应对电子分析天平非线性的影响，建立了基于ＡＮＳＹＳ的单线圈永磁体磁路、单线圈铁心磁路和双线圈永磁体磁路的电流磁效应分析模型，仿真实验研究了电流磁效应产生的附加磁感应强度以及附加磁场对电子分析天平非线性的影响；通过理论分析与仿真实验综合得到了线圈电流磁效应与热效应共同作用下的电子分析天平非线性输出数学模型；采取了机电平衡参数优化、取样电阻优化等方法，有效保证了电子分析天平的一致性、动态工作范围和分辨率；结合大量的实验研宄以及电子分析天平使用特点，提出了一种基于牛顿插值的非线性补偿方法，建立了全量程修正模型，保证了电子分析天平全量程范围内均具有良好的线性度，且便于自动化生产与调试。

（４）针对现有的电子分析天平称量响应时间长、稳定性差等问题，建立了基于卡尔曼滤波器的称量信息滤波方法和基于多级阈值约束的称量信息判别方法，有效兼顾了电子分析天平的灵敏度和稳定度，提高了响应速度，缩短了稳定时间。