空心互感式测微电子秤是采用非常简单的物理原理，利用电磁互感现象制成的小型集成化的电子精细测量仪器。其核心的测量机制便是电磁互感现象，并通过信号发生器模块产生磁场激发信号，Arduino硬件对实时测量数据进行采样、处理、分析、计算，进而将由微小重量所引起的微小位移变化转变为放大的电信号，从而实现对微小变化的精细测量。除测量具有高精度的特点外，信号发生模块和Arduino芯片的使用也保证了空心互感式测微电子秤集成化的实现，因此实现了携带方便的特点。
1 仪器模型
如果有两只线圈互相靠近，则其中第一只线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二只线圈相环链。当第一只线圈中的电流发生变化时，则其与第二只线圈环链的磁通也会发生变化，从而在第二只线圈中产生感应电动势，并且能够测量到相应的感应电流，这种现象就叫做互感现象。空心互感式测微电子秤便是基于这一简单原理制成的。空心互感式测微电子秤主体部分为三个参数相同的同心轴线圈和轴心处的磁芯。中间的线圈接入信号发生模块电流振荡产生磁场;而其余两个线圈并不通电。将两个线圈的端口分别接入Arduino芯片的两个输入端口测量其感应电流峰值的大小。重量所引起的微小位移量转变为磁芯的微小位移量，互感现象使电信号对此微小量进行首次放大，而两个线圈的设计采用则可以将信号进一步扩大：预实验时我们采取两个线圈所产生的感应电流峰值之差为因变量，通过进一步实验，为了更好地体现相位的改变等特点我们改为峰值之比为因变量。峰值之差只能确定位移的大小，但是峰值之比不仅仅可以确定位移的大小，还可以获取位移的方向特性。以上便是空心互感式测微电子秤基本思路和大致模型。
2 仪器精细
确定空心互感式测微电子秤主体部分后，需要将其设计进一步精细，达到其功能的实现并且通过材料的选择提高仪器测量精度。初期，仪器性能提升校准的过程中先使用信号发生器和数字示波器来代替信号发生器模块和Arduino芯片。首先对轴心处的磁芯进行筛选，改变线圈中央磁芯的长度改变线圈的互感系数，确定最适合测微的磁芯种类。将不同长度磁芯的测量数据拟合作图，可以从趋势线中看出它们的共同特点：其大体形状是一个比较平缓的“S”型，在数据点的中部，曲线的趋势接近一条水平。
直线(如图1)。因此在曲线中部，峰值之差和位移的关系可以近似视为线性。这一性质可以被很好地利用在测距上。将中部直线截出，计算其大致的斜率。选取斜率最大的磁芯，其具有更好的精确度：相同微小位移量的改变可以对应幅度更大感应电动势的峰值之差，更加符合我们“测微”的目标。
其次对主体部分进行测量数据的标定，通过测量线圈中的电流峰值变化与距离变化的数据，得到相关的函数关系，进而可以从电流的改变得到未知细小距离的变化(如图2)。
通过此关系，我们每从数据采集卡中读取到一个峰值之比的数据我们便可以得到实际微小位移。
3 仪器集成
仪器的集成属于锦上添花的特点，前两大部分已经实现了空心互感式测微电子秤的主要功能。前面为了方便仪器的调试和改良，电磁信号的激发以及数据的采样、计算使用的是专用仪器信号发生器和数字示波器。为使仪器更加小巧精致，采用信号发生模块来激发电磁场，采用Arduino芯片编程对数据进行采样、分析，并且使用Arduino芯片控制液晶显示屏显示出计算结果。先前整个仪器由三大部分连接构成，笨重且使用不方便;经过两个硬件芯片和液晶屏的加入，体积缩小到掌心大小长方体，但是功能以及精确度依旧得到了保持。
4 总结
此空心互感式测微电子秤运用了非常简单的互感原理，制作成本低，工艺简单，但是通过电磁信号的放大作用能够非常精确地测量微小位移。并且以测量微小位移的功能为核心，可以开发出除测重以外的多种相关功能。“测微”是此器材的核心特点，“集成化”使该仪器携带方便，更加便于使用。
作者：宿彦杰 来源：电子技术与软件工程 2016年12期
更多论文请到千里马论文发表网
中国论文网(www.lunwen.net.cn)免费学术期刊论文发表,目录,论文查重入口,本科毕业论文怎么写,职称论文范文,论文摘要,论文文献资料,毕业论文格式,论文检测降重服务。 返回电子论文列表
