磁悬浮电子秤的研究

该文文旨在利用磁悬浮技术，实现对轻量物件的较高精度称重，并通过对原理及应用做了详尽的阐述和实验，设计了一个吸式的磁悬浮式电子 秤。该文涵盖兹悬浮电秤系统的设十方案，电磁线圏非绕性、系统的电磁力麵、系统的控制棚及控制电路的设计与调试。解决了磁悬浮电子秤设计 的几个难点：电磁场的非线性问题、各种材料和部件的选取和机械加工及控制电路的设计与参数调试。该文的创新点有:⑴采用红夕卜收发二极管设计 系统的距离传感器，同时也使用摄像头作为传感装置进行试验;(2)创新图像化反馈，采用_块配合LabVIEW进行图像化姻；(3)自行绕制电磁线圏， 采用最佳1j-50软磁镍铁合金作为铁芯。

1.绪论

1.1引言

电磁悬浮技术（electromagnetic levitation)简称EML技术。它的主要原 理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡 流来实现对金属球的悬浮。

我们由此想到采用磁悬浮原理来制造 一种高精度的秤。我们称它为"磁悬浮电子 秤”我们采用磁场吸引力来平衡被称重物 体的重力。磁场受系统的控制，随被称重 物体的重量变化。然而磁场是受电流的大 小控制的，这样我们就能通过电流的大小 来得到物体的重量。这种电子秤优势在于 没有摩擦，也没有形变，精度很高。

1.2自动控制系统

1.2.1自动控制设备 自动控制（automatic control) 是 指在没有人直接参与的情况下，利用外加 的设备或装置（称控制装置或控制器），使 机器、设备或生产过程（统称被控对象）的 某个工作状态或参数（即被控量）自动地按 照预定的规律运行。

1.2.2自动控制原理 原理分析：从控制的方式看，自动控制 系统有闭环和开环两种。

闭环控制：闭环控制也就是（负）反 馈控制。传感器检测被控对象的状态信息 (输出量），并将其转变成物理（电）信号 传给控制装置。控制装置比较被控对象当 前状态（输出量）对希望状态（给定量）的 偏差，产生一个控制信号，通过执行机构驱 动被控对象运动，使其运动状态接近希望 状态。

开环控制：开环控制也叫程序控制，这是按照事先确定好的程序，依次发出信号 去控制对象。

1.2.3PID控制

P I D (比例（proportion)、 积分（integration)、微分 (differentiation)) [3]。PID控制器由 比例单元（P)、积分单元（I)和微分单元 (D)组成。其输入e (t)与输出u(t)的关 系为：

1.2.4应用于本课题

设计目的是通过理论设计与实际操 作搭建一个可以工作的磁悬浮电子秤系 统。控制方法以磁悬浮技术为核心。借助 悬浮小球，平衡托盘上面重物的重力。选 择合适的材料制作电磁线圈，铁球和秤的 托盘。通过距离传感器控制小球的悬浮位 置，电流传感器用来控制磁场强度。

2.磁悬浮电子秤原理

2.1磁悬浮电子秤系统结构

图中，电磁铁表示通过磁感应线圈产 生磁力的装置，圆圈代表被吸附的铁球，重 物表示要称取的物体（不论物体是否是铁 磁性物质），根据牛顿力学定理要保持整 个系统平衡必须保证F = Mg,其中，F为电 磁线圈电流产生的电磁力，Mg为铁球、托 盘、拉线及被测重物的总重力。为了得到一 个稳定的平衡系统，必须实现闭环控制，使 整个系统稳定具有一定的抗干扰能力。本 系统中采用红外距离传感器检测铁球与电 磁铁之间距离的变化。

2.2电磁线圈制作

通过上述流程我们可以知道，控制电 压经过功率放大器产生较大的电流，经过 磁感线圈产生较强的磁场，从而将铁磁性 物体吸起，通过测量电压或者是电流的大 小就可以转化为被测重物的质量。我们自 己绕制了电磁线圈，采用1-J50软磁镍铁 合金，软磁性尤佳，适宜做磁悬浮铁芯。并 采用了直径0.51 mm的漆包线自己进行绕 制，圈数为2050圈，总阻值约为20欧姆， 铁芯直径为50 mm,实际使用中效果较理 想。

2.3电传感器选取及测试

2.3.1红外距离传感器GP2D12 GP2D12是一款Sharp公司生产的红 外线测距传感器，其技术参数如下：

⑴测量射程范围：0 cm to 80 cm ；

最大允许角度：大于40° ；

电源电压：4.5 V to 5.5 V ；

⑷平均功耗：35 mA ；

峰值功耗：约200 mA ；

更新频率/周期：20 Hz/40 ms ；

模拟输出噪声：小于200 mV；

测量距离与输出模拟电压关系： 2.4~0.4V模拟信号对应10?80 cm。

其外部图像如图5。

电源电压+ 5 V，在温度为25 °时测 得其距离与输出电压关系如图6。

将该传感器应用在磁悬浮电磁秤项目上的原理为：将传感器置于小球的下方，观 测小球与传感器之间的距离，从而获取小 球高度。该方法简单易行，器材在网上容易 寻找，可以在项目中尝试，但是缺点是距离 与电压输出关系不是线性关系，导致系统 非线性性质更加严重，且其数据更新周期 为40 ms，对于磁悬浮控制而言太长，所以 不米用该方案。

2.3.2红外线发射接收测距传感器电路

因为方案2.3.1采样周期的问题导致系 统离散化严重，稳定性遭受破坏，所以自己 用模拟电路搭建距离传感器。该传感器由 发射和接收两个模块组成，发射模块如图7 所示。

其工作原理：在共射极放大电路中， 红外发光二极管与NPN三极管的集电极相 接，与基极和发射极相接的二极管D1起温 度补偿作用，控制管脚通过电阻R3与Q2相 连，当给控制管脚高电平时，电路导通，红 外发射管发出红外光。

接受模块如图8所示。

其工作原理为：在红外发射管发射出 的红光遇到物体之后反射，由接收管D2接 收，此时接收管会产生一个与光强相关的 电流，经过两级放大器电路放大之后在输 出端可以得到一个电压，通过AD采集到单 片机内部便可以得到当前光强信息，此时 电压与光强就可以有相对应的关系了，选取 与光强线性关系比较好的接收管可以使检 测系统的性能得到更好的提高。这个方案 十分具有可靠性，可以采用，但是需要解决 单片机采样速率的问题。

2.3.3摄像头图像识别传感器

考虑到近年图像识别方向的进展，使 用摄像头作为传感器越来越流行，这里使 用摄像头做传感器的原理图如图9 ：

将背景用白色纸板挡住，小球涂装成 黑色，摄像头装置在正对纸板的地方就构 成了简单的传感器部分，实物图见图9。通 过对摄像头采集回来的图像进行二值化处 理并检测黑色区域的重心便可以得到小球 的高度 中控室斗轮机电子秤值可视化实现
磁悬浮电子秤的研究