【摘 要】
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称重技术作为一种重要的测量手段广泛应用在人们的日常生活中,其中质量是衡量物体物质含量的一个重要参数,而天平是质量量值传递不可缺少的测量仪器。传统电子秤在使用过程中,机械结构之间不但存在摩擦力导致称重系统存在称量误差、零部件之间产生磨损,同时存在结构比较复杂等问题。磁悬浮技术具有无摩擦、无污染、噪声小等优点,本文将磁悬浮技术应用在电子天平系统中,提出一种基于磁悬浮原理的电子天平设计方案,主要研究内容
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称重技术作为一种重要的测量手段广泛应用在人们的日常生活中,其中质量是衡量物体物质含量的一个重要参数,而天平是质量量值传递不可缺少的测量仪器。传统电子秤在使用过程中,机械结构之间不但存在摩擦力导致称重系统存在称量误差、零部件之间产生磨损,同时存在结构比较复杂等问题。磁悬浮技术具有无摩擦、无污染、噪声小等优点,本文将磁悬浮技术应用在电子天平系统中,提出一种基于磁悬浮原理的电子天平设计方案,主要研究内容及成果如下:(1)针对传统电子秤结构中存在不可避免的摩擦力,导致设备使用寿命降低等问题提出了一种基于磁悬浮技术的电子天平称重系统。分析上拉式和排斥型磁悬浮系统的基本结构和工作原理,建立上拉式磁悬浮系统结构的动力学方程,对电磁永磁混合体结构进行分析,发现当排斥型磁悬浮系统中悬浮间隙一定时,浮子所受排斥力主要由永磁铁提供,可以有效减少系统的能耗;当系统受到扰动不稳定时,水平方向可通过电磁线圈进行微调,保证系统的稳定性。(2)利用MATLAB PDE(Partial Differential Equation,偏微分方程)工具箱对排斥型系统结构中永磁环的磁力线进行了仿真,使用Ansoft Maxwell软件对磁悬浮浮子的磁力线及排斥型磁悬浮结构进行建模和仿真,得到了磁悬浮系统结构中几何参数对浮子所受悬浮力的影响曲线。以仿真结果作为参考,确定了排斥型磁悬浮系统中浮子和永磁铁的结构参数值。(3)实现了磁悬浮电子天平系统的硬件设计。本系统利用Arduino UNO作为控制板,选用霍尔位移传感器对磁悬浮浮子的位置进行检测,利用LM324模块对输出信号进行放大处理,通过示波器测量输出电压波形发现浮子能稳定在一定范围内波动,即X轴高低电平值分别为2.66 V和2.12 V,Y轴高低电平为2.64V和1.52 V;设计了系统的驱动电路,根据主控板输出信号控制通过电磁线圈的电流;通过检测悬浮浮子在竖直方向的位移,单片机根据霍尔输出电压进行相关计算将被测物体的重量通过OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)进行显示。(4)实现了磁悬浮电子天平系统的软件设计。系统软件主要包括磁悬浮系统控制软件、位移检测及OLED显示三个部分,均在Arduino IDE(Integrated Development Environment,集成开发环境)环境下进行编译,有效提高编程的效率。(5)对磁悬浮系统和称重系统两个部分进行调试,通过测量多组不同重量的被测物体对应的电压值,得到电压—质量关系式,通过检测未知重量物体对应的电压值,实现物体重量的测量,本系统测量范围为0~15 g。
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