空心互感式測微電子秤論文

　　空心互感式測微電子秤是采用非常簡(jiǎn)單的物理原理，利用電磁互感現象制成的小型集成化的電子精細測量?jì)x器。其核心的測量機制便是電磁互感現象，并通過(guò)信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生磁場(chǎng)激發(fā)信號，Arduino硬件對實(shí)時(shí)測量數據進(jìn)行采樣、處理、分析、計算，進(jìn)而將由微小重量所引起的微小位移變化轉變?yōu)榉糯蟮碾娦盘�，從而�?shí)現對微小變化的精細測量。除測量具有高精度的特點(diǎn)外，信號發(fā)生模塊和Arduino芯片的使用也保證了空心互感式測微電子秤集成化的實(shí)現，因此實(shí)現了攜帶方便的特點(diǎn)。

　　1 儀器模型

　　如果有兩只線(xiàn)圈互相靠近，則其中第一只線(xiàn)圈中電流所產(chǎn)生的磁通有一部分與第二只線(xiàn)圈相環(huán)鏈。當第一只線(xiàn)圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，則其與第二只線(xiàn)圈環(huán)鏈的磁通也會(huì )發(fā)生變化，從而在第二只線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，并且能夠測量到相應的感應電流，這種現象就叫做互感現象�？招幕ジ惺綔y微電子秤便是基于這一簡(jiǎn)單原理制成的�？招幕ジ惺綔y微電子秤主體部分為三個(gè)參數相同的同心軸線(xiàn)圈和軸心處的磁芯。中間的線(xiàn)圈接入信號發(fā)生模塊電流振蕩產(chǎn)生磁場(chǎng);而其余兩個(gè)線(xiàn)圈并不通電。將兩個(gè)線(xiàn)圈的端口分別接入Arduino芯片的兩個(gè)輸入端口測量其感應電流峰值的大小。重量所引起的微小位移量轉變?yōu)榇判镜奈⑿∥灰屏�，互感現象使電信號對此微小量進(jìn)行首次放大，而兩個(gè)線(xiàn)圈的設計采用則可以將信號進(jìn)一步擴大：預實(shí)驗時(shí)我們采取兩個(gè)線(xiàn)圈所產(chǎn)生的感應電流峰值之差為因變量，通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗，為了更好地體現相位的改變等特點(diǎn)我們改為峰值之比為因變量。峰值之差只能確定位移的大小，但是峰值之比不僅僅可以確定位移的大小，還可以獲取位移的方向特性。以上便是空心互感式測微電子秤基本思路和大致模型。

　　2 儀器精細

　　確定空心互感式測微電子秤主體部分后，需要將其設計進(jìn)一步精細，達到其功能的實(shí)現并且通過(guò)材料的選擇提高儀器測量精度。初期，儀器性能提升校準的過(guò)程中先使用信號發(fā)生器和數字示波器來(lái)代替信號發(fā)生器模塊和Arduino芯片。首先對軸心處的磁芯進(jìn)行篩選，改變線(xiàn)圈中央磁芯的長(cháng)度改變線(xiàn)圈的互感系數，確定最適合測微的磁芯種類(lèi)。將不同長(cháng)度磁芯的測量數據擬合作圖，可以從趨勢線(xiàn)中看出它們的共同特點(diǎn)：其大體形狀是一個(gè)比較平緩的“S”型，在數據點(diǎn)的中部，曲線(xiàn)的趨勢接近一條水平。

　　直線(xiàn)(如圖1)。因此在曲線(xiàn)中部，峰值之差和位移的關(guān)系可以近似視為線(xiàn)性。這一性質(zhì)可以被很好地利用在測距上。將中部直線(xiàn)截出，計算其大致的斜率。選取斜率最大的磁芯，其具有更好的精確度：相同微小位移量的改變可以對應幅度更大感應電動(dòng)勢的峰值之差，更加符合我們“測微”的目標。

　　其次對主體部分進(jìn)行測量數據的標定，通過(guò)測量線(xiàn)圈中的電流峰值變化與距離變化的數據，得到相關(guān)的函數關(guān)系，進(jìn)而可以從電流的改變得到未知細小距離的變化(如圖2)。

　　通過(guò)此關(guān)系，我們每從數據采集卡中讀取到一個(gè)峰值之比的數據我們便可以得到實(shí)際微小位移。

　　3 儀器集成

　　儀器的集成屬于錦上添花的特點(diǎn)，前兩大部分已經(jīng)實(shí)現了空心互感式測微電子秤的主要功能。前面為了方便儀器的調試和改良，電磁信號的激發(fā)以及數據的采樣、計算使用的是專(zhuān)用儀器信號發(fā)生器和數字示波器。為使儀器更加小巧精致，采用信號發(fā)生模塊來(lái)激發(fā)電磁場(chǎng)，采用Arduino芯片編程對數據進(jìn)行采樣、分析，并且使用Arduino芯片控制液晶顯示屏顯示出計算結果。先前整個(gè)儀器由三大部分連接構成，笨重且使用不方便;經(jīng)過(guò)兩個(gè)硬件芯片和液晶屏的加入，體積縮小到掌心大小長(cháng)方體，但是功能以及精確度依舊得到了保持。

　　4 總結

　　此空心互感式測微電子秤運用了非常簡(jiǎn)單的互感原理，制作成本低，工藝簡(jiǎn)單，但是通過(guò)電磁信號的放大作用能夠非常精確地測量微小位移。并且以測量微小位移的功能為核心，可以開(kāi)發(fā)出除測重以外的多種相關(guān)功能�！皽y微”是此器材的核心特點(diǎn)，“集成化”使該儀器攜帶方便，更加便于使用。

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