CN202720032U - 一种电磁力平衡式电子天平的测量与控制*** - Google Patents

Abstract

一种电磁力平衡式电子天平的测量与控制***，包括电源电路(1)，所述电路包括电源保护及整流滤波电路(10)，缓起动电路(11)，电压变换电路(12)，电源保护及整流滤波电路(10)由一个自恢复保险丝及一个稳压管构成过流过压保护电路，四个二极管或硅桥组成整流电路，再经过电容电感滤波，得到没有稳压的直流电源，电源电路产生多种电压给各个单元电路提供电源。

Description

一种电磁力平衡式电子天平的测量与控制***

技术领域

本实用新型涉及称重技术，电子技术，自动控制技术。 

背景技术

电磁力平衡式电子天平主要由电磁力平衡式称量传感器、测量与控制***、壳体组成；目前，国内称量传感器主要以传统制作工艺为主，但随着高精度全自动加工中心的普及，逐步向一体式传感器发展，目的是为了实现传感器生产的简单化、性能的一致化、体积的小型化、结构的牢固化，但由于对传感器架构没有突破性的改进，且磁钢技术没有得到本质的发展，其称重性能并没有得到进一步的提高。但随着电子技术与控制理论的发展，对其测量与控制***的改进已成为一种必然的可能，而最具前景的改进方向必定是抛弃原有的模拟测量与控制方法，进行数字化改造。 

传统的电磁力平衡式电子天平(以下简称电子天平)的重量测量部分已基本实现了数字化测量(仍以间接地测量脉冲宽度为主)，但控制部分还是使用经典的模拟PID控制。虽然传统的测量与控制方法经过不断改进，但始终存在以下几个问题： 

1、称量速度慢。比如量程为200克，分辨率为100微克的电子天平的称量稳定时间常需7至8秒；能做到4秒左右的已属不易了。 

2、重复性差。由于采用模拟PID控制，电容器介质的电池效应、漏电效应，运放的温漂、输入漏电流以及线路板的绝缘强度等一些器件缺陷而导致的称量不确定度大的问题始终得不到根本性改善。 

3、温漂大，使用的温度范围极窄。由于受目前磁钢技术限制，相对于电子天平的其它部件，称量传感器的温漂是比较大的，再加上其它部件的温漂，导致很多厂家的电子天平规定的称量温度范围是20℃±2.5℃，这是一个相当苛刻的实验室条件。由于温补采用模拟电子技术补偿，再加上温补过程的繁琐性，使温补只能在极窄的范围内作线性补偿，而实际上温补至少需在宽温度范围内作非线性补偿，甚至需在各个重量点进行多条温补曲线或曲面补偿。为了修正温漂(同时兼可修正因重力变化而导致的称量误差)，而发展的天平自校正机构也只能校正某 一时刻的某一重量的误差，且影响使用者的称量效率，而其又是一个易损部件，且增加成本。 

4、分辨率高于100ug的电子天平极难做。正由于以上的原因，使制作微量天平成为极困难的事。 

5、供电***复杂，有一对功率比较大的正负对称稳压电源及众多辅助电源。为了减少外配电源的复杂程度，很多电子天平采用单组电源输入，然后通过价格昂贵的电源模块变换出这一对稳压电源；或者内置一个有多路输出的线性变压器。这无疑提高了成本及复杂性，且增大了整机的温升及各部件的温度梯度。 

6、生产周期长，调试过程复杂。由于测量与控制部分大量采用模拟电路，元器件参数的分散性及质量的偏差，导致很多线路板和传感器统装后，需要多次细调及长时间老化才能达到较好匹配，且模拟温补电路温补过程的十分繁琐。 

7、元器件采购困难。由于电子技术的数字化趋势，很多传统高精度模拟器件的使用量呈快速减少趋势，而导致生产量的减少，质量选择余地日渐变窄，采购成本越来越高。 

电磁力平衡式电子天平的测量与控制***正是解决以上问题的极好途径。 

实用新型内容

本实用新型提供一种电磁力平衡式电子天平的测量与控制***，包括电源电路(1)，其特征在于：所述电路包括电源保护及整流滤波电路(10)，缓起动电路(11)，电压变换电路(12)，电源保护及整流滤波电路(10)由一个自恢复保险丝及一个稳压管构成过流过压保护电路，四个二极管或硅桥组成整流电路，再经过电容电感滤波，得到没有稳压的直流电源，电源电路产生多种电压给各个单元电路提供电源。 

进一步地，所述缓起动电路(11)由一个RC时延电路、晶体管开关电路组成，用于防止天平上电时对线路及称量传感器的的冲激。 

进一步地，所述电压变换电路(12)，由DC/DC转换芯片产生一个没稳压的负电源，再由三端稳压器件稳压，得到-5V电压；正电压通过稳压器件稳压，分别得+9V(功率电源)、+5V(数字电源)、+5V(模拟电源)、+3.3V(数字电源)、+3.3V(模拟电源)。 

进一步地，该***还包括称量传感器平衡位置检测电路(2)，其特征在于： 所述电路包括平衡位置光电检测电路(13)，光电信号放大电路(14)，模数转换电路(15)，其中平衡位置光电检测电路(13)由一个红外发射管，双硅光电池组成，光电信号放大电路(14)由运算放大器组成，对光电信号进行放大，模数转换电路(15)由逐次比较式模数转换器构成，此模数转换元件也可以集成于微控制器(30)中。 

进一步地，还包括称量传感器驱动电路(3)，其特征在于：所述驱动电路包括驱动信号数模转换电路(16)，功率放大及驱动电路(17)。 

进一步地，所述驱动信号数模转换电路(16)，包含运算放大器，数模转换芯片，此数模转换芯片可以集成于微控制器(30)中。 

进一步地，所述功率放大及驱动电路(17)由压控稳压电源电路构成，可以是单片集成的，也可以用分立元件构成。 

进一步地，还包括重量测量电路(4)，其特征在于：重量测量电路(4)包括电流电压变换电路(18)，模数转换器(19)，基准电源电路(20)，其中，电流电压变换电路(18)是由二个温漂在5ppm及以下的高精度采样电阻及一个继电器组成；若不需要继电器作量程切换，则只需安装一个高精度采样电阻；若量程跨度大且量程多，也可安装多个采样电阻及继电器。 

进一步地，所述模数转换器(19)的核心是一片高精度的∑-Δ模数转换芯片，其单次转换的有效位数在20bit及以上，温漂在5ppm及以下，此数模转换元件也可以集成于微控制器(30)中。 

进一步地，所述基准电压源电路(20)的核心是一个温漂在5ppm及以下的高精度集成基准电压源。 

进一步地，还包括温湿度测量电路(5)，其特征在于：所述电路包括多个温度传感器电路(21)，湿度传感器电路(22)，多路模数转换器电路(23)，其中，温度传感器电路(21)的核心构成部件是半导体测温元件，所述湿度传感器电路(22)的核心构成部件是湿敏电阻或湿敏电容，多路模数转换器电路(23)可由一个集成多路模数转换器构成，也可由模拟开关与模数转换器构成，也可集成到微控制器(30)中。 

进一步地，还包括通信电路(6)，其特征在于：所述电路包括串行微型打印机接口(24)，计算机通信接口(25)。 

进一步地，还包括天平自校正电路(7)，人机接口电路(8)，其特征在于：所述电路包括位置检测电路(26)，电机驱动电路(27)；天平自校正电路(7)是本方案的可选部件，人机接口电路(8)包括按键电路(28)，显示屏电路(29)。 

进一步地，还包括微控制器电路(9)，其特征在于：所述微控制器电路(9)包括微控制器(30)，微控制器***电路(31)。 

进一步地，所述微控制器(30)可内置多数模数转换器、脉宽调制输出功能或数模转换器、实时时钟等，提高***集成度；本方案的称量传感器平衡位置检测程序、称量传感器驱动程序、重量测量程序、温湿度测量程序、通信电路程序、天平自校正程序、人机接口电路程序、辅助功能程序通过***整合，固化在微控制器(30)中，形成本方案的主体固件，辅助功能程序主要由称量模式(包括常规称量模式、计数称量模式、密度称重模式、动态称重模式、百分比称量模式组成)切换程序、称量单位切换程序、天平规格切换程序、***参数设定(包含校正程序、温补程序等)等程序组成。 

进一步地，所述微控制器***电路(31)由晶振、看门狗电路、存储器、实时时钟电路等组成，除晶振外，微控制器***电路(31)的部分和全部可集成在微控制器(30)中，实时时钟由电池供电，给***及天平使用者提供一个实时的日期及时间。 

本实用新型的另一个关键之处在于简化了电源结构，节约了成本。在典型情况下，整个线路板由一个市售的的15V/200mA左右的小功率电源供电，交直流均可。除了功率极小的-5V电源，整个电源方案是一个逐档降压过程，且输出功率又很小，有现成的众多三端降压稳压器件可用，线路简单，价格便宜；而-5V电源又有众多现成的单片小功率负压产生器件可用，价格极低。除去外接电源，使得整个线路板上的电源器件的元器件成本在8元以下。 

实用新型的有益效果 

本实用新型极大地提高了称量速度，即使把称量速度调整到1秒钟，其称量结果还是十分稳定。减少了温漂，使温漂减少到市售同规格国产电子天平的十分之一以下；拓宽了电子天平的温度使用范围，使之能在0℃-30℃之间正常称量，也可以做得更宽。正由于温漂的减少，使天平自校正电路和机构成为非必要部件，而微小的时变温漂及重力差异可通过极方便的手动校正消除。由于称量准确性的 提高，电子天平的重复性，回零性能，最小起感量得到了切实地提高。做到了一机多量程或一机多规格，且量程自动可以切换。无需更换任何元器件，只需调整几个控制参数，就可以匹配国产的绝大多数电磁力平衡式称量传感器。简化了生产工艺，减少了元器件筛选老化时间，整机温补过程无需再打开天平外壳，温补过程可以手动通过面板按键或天平自动完成。整机采用目前流行的电子元器件设计，且主要电子元器件的价格在下降之中，成本优势也会越来越明显。 

附图说明

图1是本实用新型电磁力平衡式电子天平的测量与控制***的结构框图； 

具体实施方式

如图1所示，本电磁力平衡式电子天平的测量与控制***的数字化方案，包括电源电路(1)，称量传感器平衡位置检测电路(2)，称量传感器驱动电路(3)，重量测量电路(4)，温湿度检测电路(5)，通信电路(6)，天平自校正电路(7)，人机接口电路(8)，微控制器电路(9)。其中电源电路(1)包括电源保护及整流滤波电路(10)，缓起动电路(11)，电压变换电路(12)；称量传感器平衡位置检测电路(2)包括平衡位置光电检测电路(13)，光电信号放大电路(14)，模数转换电路(15)；称量传感器驱动电路(3)包括驱动信号数模转换电路(16)，功率放大及驱动电路(17)；重量测量电路(4)包括电流电压变换电路(18)，高精度模数转换器(19)，基准电源电路(20)；温湿度检测电路(5)包括温度检测电路(21)，湿度检测电路(22)，多通道模数转换器(23)；通信电路(6)包括串行微型打印机接口(24)，计算机通信接口(25)；天平自校电路(7)包括位置检测电路(26)，电机驱动电路(27)；人机接口电路(8)包括按键电路(28)，显示电路(29)；微控制器电路(9)包括微控制器(30)，微控制器***电路(31)。本方案的整个测量与控制方案的软件部分就固化在微控制器(30)中。整个电路安装在二片或以上的线路板上，其中平衡位置光电检测电路一块，其余部分视安装需要可以做在一块或多块线路板上。线路板无论如何布局，均极大限度地防止了温度梯度及电磁干扰。线路板为了防潮，可以用绑定黑胶全部或部分封住线路板，但电源电路与功率电路不与其它电路封在一起。整个线路板可由一个市售的的15V/300mA左右的小功率电源供电。 

外接电源经过电源保护及整流滤波电路(10)，缓起动电路(11)，电压变换 电路(12)分别得+9V(功率电源)、+5V(数字电源)、+5V(模拟电源)、+3.3V(数字电源)、+3.3V(模拟电源)，-5V(模拟电源)，给各部分电路进行供电。 

在天平上电过程中，当微控制器(30)检测到电源电压正常后，开始对各种参数进行初始化和校验，若校验正确，且自校功能使能，通过天平自校正电路(7)先执行一次单点自校正过程，以减少因重力或温度等因素而导致称量结果的误差。自校正完成后(自校正功能使能)，天平进入正常的测量与控制状态。若参数校验不正确，显示一个错误或警示信号，提示使用者进行操作。天平上电完成。在天平正常的测量与控制过程中，通过温湿度检测电路(5)检测相对湿度的大小与温度的高低。若检测到湿度过大，则显示一个湿度过大的警示信号；若温度梯度太大，则显示一个温度未平衡的警示信号。这两个符号提示使用者在这种情况下称量可以导致称量结果不正确。 

在正常测量与控制时，微控制器(30)通过称量传感器平衡位置检测电路(2)检测称量传感器的平衡状态，并根据这个状态，通过软件上的自动控制算法，计算出一个数字输出量，此数字输出量通过称量传感器驱动电路(3)，控制输出到称量传感器上的电流，使称量传感器处于一个动态的平衡状态。同时，此数字输出量代表着称量传感器上的载荷的大小，虽不十分精确，但非常实时，通过此数字并结合重量测量电路所测得的重量，可以自动实时地调整自动控制参数。 

同时微控制器(30)通过重量检测电路(4)，连续地测量着流经称量传感器的电流，并经过数字滤波及数字温补，精确地测量出称量传感器上的载荷大小，并按要求通过变换将此重量以适当的方式显示在显示屏上。 

通信电路(6)用于连接串行微型打印机和计算机，或把数据存储至U盘。其中计算机接口可以是USB、RS232、RS485等接口。 

人机接口电路(8)包括按键电路(28)部分及显示电路(29)部分。显示屏用于显示称量数据、日期时间、环境温湿度、天平的的状态信息等；按键一般包括校正/置零键、去皮键、单位键、打印键、计数键、功能/菜单键等。 

经过正确的温补后，本方案可以把整个称量***的温漂做得很小，天平自校正电路(7)主要用于自动修正在不同地点使用的重力差异及温补系数的时漂。而这些误差可在天平在某一地点首次使用时执行一次手动校准，或在长期使用过程中时执行少量的几次手动校准即可消除，反而提高称量效率。因此在本方案中， 天平自校正电路和机构已是非必要部件，但本方案仍予以保留。由于本方案给微控制器(30)配置了实时时钟电路，若做一个长期的检测温度时漂的实验，也可确定天平的长期的时变温漂的修正量，但在本实例中没有实现测时变温漂修正量功能，但可进一步扩展，实现此功能。 

以上所述实施方式仅表达了本实用新型的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。 

Claims (15)

1.一种电磁力平衡式电子天平的测量与控制***，包括电源电路(1)，其特征在于：所述电路包括电源保护及整流滤波电路(10)，缓起动电路(11)，电压变换电路(12)，电源保护及整流滤波电路(10)由一个自恢复保险丝及一个稳压管构成过流过压保护电路，四个二极管或硅桥组成整流电路，再经过电容电感滤波，得到没有稳压的直流电源，电源电路产生多种电压给各个单元电路提供电源。

2.根据权利要求1所述的测量与控制***，其特征在于：所述缓起动电路(11)由一个RC时延电路、晶体管开关电路组成，用于防止天平上电时对线路及称量传感器的的冲激。

3.根据权利要求2所述的测量与控制***，其特征在于：所述电压变换电路(12)，由DC/DC转换芯片产生一个没稳压的负电源，再由三端稳压器件稳压，得到-5V电压；正电压通过稳压器件稳压，分别得+9V功率电源、+5V数字电源、+5V模拟电源、+3.3V数字电源、+3.3V模拟电源。

4.根据权利要求3所述的测量与控制***，该***还包括称量传感器平衡位置检测电路(2)，其特征在于：所述电路包括平衡位置光电检测电路(13)，光电信号放大电路(14)，模数转换电路(15)，其中平衡位置光电检测电路(13)由一个红外发射管，双硅光电池组成，光电信号放大电路(14)由运算放大器组成，对光电信号进行放大，模数转换电路(15)由逐次比较式模数转换器构成，此模数转换元件也可以集成于微控制器(30)中。

5.根据权利要求4所述的测量与控制***，还包括称量传感器驱动电路(3)，其特征在于：所述驱动电路包括驱动信号数模转换电路(16)，功率放大及驱动电路(17)。

6.根据权利要求5所述的测量与控制***，其特征在于：所述驱动信号数模转换电路(16)，包含运算放大器，数模转换芯片，此数模转换芯片可以集成于微控制器(30)中。

7.根据权利要求6所述的测量与控制***，其特征在于：所述功率放大及驱动电路(17)由压控稳压电源电路构成，可以是单片集成的，也可以用分立元件构成。

8.根据权利要求7所述的测量与控制***，还包括重量测量电路(4)，其特征在 于：重量测量电路(4)包括电流电压变换电路(18)，模数转换器(19)，基准电源电路(20)，其中，电流电压变换电路(18)是由二个温漂在5ppm及以下的高精度采样电阻及一个继电器组成；若不需要继电器作量程切换，则只需安装一个高精度采样电阻；若量程跨度大且量程多，也可安装多个采样电阻及继电器。

9.根据权利要求8所述的测量与控制***，其特征在于：所述模数转换器(19)的核心是一片高精度的∑-Δ模数转换芯片，其单次转换的有效位数在20bit及以上，温漂在5ppm及以下，此数模转换元件也可以集成于微控制器(30)中。

10.根据权利要求9所述的测量与控制***，其特征在于：所述基准电压源电路(20)的核心是一个温漂在5ppm及以下的高精度集成基准电压源。

11.根据权利要求10所述的测量与控制***，还包括温湿度测量电路(5)，其特征在于：所述电路包括多个温度传感器电路(21)，湿度传感器电路(22)，多路模数转换器电路(23)，其中，温度传感器电路(21)的核心构成部件是半导体测温元件，所述湿度传感器电路(22)的核心构成部件是湿敏电阻或湿敏电容，多路模数转换器电路(23)可由一个集成多路模数转换器构成，也可由模拟开关与模数转换器构成，也可集成到微控制器(30)中。

12.根据权利要求11所述的测量与控制***，还包括通信电路(6)，其特征在于：所述电路包括串行微型打印机接口(24)，计算机通信接口(25)。

13.根据权利要求12所述的测量与控制***，还包括天平自校正电路(7)，人机接口电路(8)，其特征在于：所述电路包括位置检测电路(26)，电机驱动电路(27)；天平自校正电路(7)是本方案的可选部件，人机接口电路(8)包括按键电路(28)，显示屏电路(29)。

14.根据权利要求13所述的测量与控制***，还包括微控制器电路(9)，其特征在于：所述微控制器电路(9)包括微控制器(30)，微控制器***电路(31)。

15.根据权利要求14所述的测量与控制***，其特征在于：所述微控制器***电路(31)由晶振、看门狗电路、存储器、实时时钟电路组成，除晶振外，微控制器***电路(31)的部分和全部可集成在微控制器(30)中，实时时钟由电池供电，给***及天平使用者提供一个实时的日期及时间。 

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