[发明专利]一种基于光杠杆的电磁平衡式力传感器及电子天平

说明书

本发明提供一种基于光杠杆的电磁平衡式力传感器及电子天平，包括光杠杆、PSD元件、电磁线圈和闭环检测系统；所述光杠杆用于产生光束，并将光束反射到PSD元件上；所述PSD元件用于检测光杠杆反射光点的位移；所述PSD元件与闭环检测系统连接，所述闭环检测系统与电磁线圈连接。本发明巧妙地用光杠杆和PSD元件组成的位移检测系统取代现有电子分析天平用于位移检测的光电系统，通过把光杠杆技术及PSD元件与电磁力传感器相融合，进一步提升现有电子分析天平的检测灵敏度。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于光杠杆的电磁平衡式力传感器及电子天平。

背景技术

电子天平集传感技术、模拟电子技术、数字电子技术、计算机技术、智能信息处理技术、材料及精密制造技术于一身，也是诸多技术发展的综合产物，相较于机械式天平具有称量快速、操作简便、自动校准、故障自诊断等多种功能与优越性。电子天平一经问世，便迅速进入计量、称重领域，成为科研、生产、军工、医药等领域必备的检测仪器。

电子天平按其精度可分为超微量电子天平(最大称量2～5g，分辨力<1μg)、微量电子天平(最大称量3～50g，分辨力1μg)、半微量电子天平(最大称量20～100g，分辨力10μg)及常量电子天平(最大称量100～200g，分辨力0.1mg)四类。通常所说的电子分析天平，即超微量天平、微量天平、半微量天平和常量天平的总称。

电子分析天平通常包含一闭环调节系统电磁力平衡传感器，具有准确度高，稳定性好的优点。传统的电子分析天平结构原理如图1所示，包括加载装置、电磁力加载装置、光电位移检测装置和光电池信号处理电路；所述加载装置包括待测物1、载物台2、竖直支撑杆3、水平支撑杆4和水平支撑杆弹簧5；所述电磁力加载装置包括水平横梁6、光阑7、支杆8、支杆弹簧9、线圈支架10、电磁线圈11、永磁12、磁轭13和支架连接件14；如图2所示，所述光电位移检测装置7包括光电发光管15、带矩形缺口的光阑16、光电转换器17、光电转换器18、光阑处于光束中央时光斑19和光阑位移后的光斑20。图1中，秤盘即载物台2置于竖直支撑杆3上，它通过含簧片的支架连杆与一个置于磁钢之中的电磁线圈11相连，通电磁线圈11处于永磁体产生的磁场中。通电磁线圈11受平行于线圈平面的磁场作用产生垂直向下的安培力。如图2所示，光电位移检测装置7包括光电发光管15、带矩形缺口的光阑16、光电转换器17、光电转换器18、光阑处于光束中央时光斑19和光阑位移后的光斑20；在一连杆的右端置一带矩形缺口的光阑16，在矩形缺口的光阑16的一边安装一光电发光管15，另一边安放性能一致的一对光电转换器17、18，当称盘上加载待测物1后，杠杆的位置即发生变化，光电转换器将检测到的位置变化量转化成对应的电信号输出，然后经过PID电路及驱动电路，将与位置信号相对应的电流加载在处于永磁材料产生磁场的线圈11上，产生一电磁力。通过自动调节，最终使得电磁力力矩与待测物1的重力力矩再次达到平衡，天平达到稳定，此时，流过线圈11的电流大小与载荷重力成正比，获取电流值即可计量出物体的重量或通过标定得到待测物1的质量。

瑞士、德国、美国、日本等最早开展电子天平的研制，在20世纪80年代初期，就具备大批量生产电子分析天平的能力。如德国的Sartorius、瑞士的METTLER TOLEDO和美国的Explorer是当今国际上电子天平生产和制造领域的三架马车，处于实验室天平和工业天平的领先地位。

随着新材料的不断涌现及先进制造技术的发展，电磁力平衡传感器的结构也处在不断的改进和发展中，从最初的电磁力直接驱动式，发展到单级杠杆式，再到多级杠杆式。国外先进电子分析天平企业攻克了敏感部件恒弹性簧片、先进永磁体材料的配方及热处理工艺难题，采取高精度线切割加工技术，对单块铝合金材料采用一次成型加工技术，制得了一体化结构的电磁力平衡传感器，即单模块(Mono-block)电磁力平衡传感器。瑞士METTLERTOLEDO率先将单模块传感器应用于电子分析天平上，使其称量精度达微量甚至超微量，如XP2U型超微量电子天平，最大称量值为2.1g，分辨力达0.1μg。