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[摘 要]电子分析天平是一种广泛应用于国防、科研、工厂、实验室的质量计量标准器具，具有称量快速、操作简单、自动校准、故障自诊断等多种功能。由于计量精密、灵敏度高，温漂与时漂成为影响电子分析天平计量性能的主要因素。基于此，本文对电子分析天平产生漂移的机理进行了深入探究，并提出了几条切实可行的补偿方法，希望对相关人员有所帮助。
[关键词]电子分析天平；温漂；时漂；机理；补偿方法
中图分类号：TU894 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0315-01
引言
电子分析天平是一种十分精密的计量仪器，传感器和电路受工作温度影响；随使用时间增长，仪器某些参数逐渐的变化；气流、振动、电磁干扰等环境因素，这些都会使电子分析天平产生漂移。其中，气流、振动、电磁干扰等环境因素的影响，可以通过对使用条件加以约束来将影响程度降到最低。而温漂和时漂形成的原因复杂，并且产生的漂移量很大，必须加以抑制。
1 脉宽调制式电子分析天平工作原理
当秤盘加载质量m的试样后，电磁力平衡传感器平衡状态发生改变，导致光栅发生Δs的位移，继而光敏二极管生成正比于Δs的电流信号ΔI。经过信号变换、PID电路调节，ΔI转变为电压信号U。U与固定锯齿波信号比较，然后产生调宽脉冲，调宽脉冲再控制恒流源Ic在一个调制周期Q中流过动圈的时长（时长为调宽脉冲的负脉冲宽度Qw）。动圈导线在磁路气隙磁场的作用下，产生的与重力力矩相反方向的电磁力矩使光栅位移Δs减小，继而光敏二极管所产生的ΔI变小。而PID积分环节使调宽脉冲的Qw继续变宽，动圈产生的电磁力矩将继续增大，直至光栅重新回至初始位置。此时，电磁力矩和重力力矩相等，即：
（m+mc）g=BILKl
式中，mc为杠杆处于平衡时横梁组件等效质量；Kl为杠杆比，即支点和动圈导线中心的距离与支点和秤盘中心的距离之比；B为永磁体的磁感应强度；L为动圈有效总长度。此时，Qw被送至计数器量化成以计数时钟周期为单位的计数值，即：
式中，N为计数时钟对调宽脉冲的负脉冲宽度计数值；N0为Q对计数时钟周期的比值。上述两式结合可得电子分析天平质量称量的数学模型：
式中，K为称量比例系数；V为电压基准值；R为取样电阻值。利用标准砝码校准K和mc值后，把计数值N送至单片机系统进行各级数据处理，即可计算出被称物体的质量m。
2 电子分析天平产生漂移的机理
2.1 电子分析天平温漂产生的机理
环境温度变化、动圈载流发热、电路元器件的发热等，都将引起永磁气隙中的磁感应强度B、动圈导线长度L和取样电阻R的变化，而从上式可知，这几个参数的变化都会造成天平示值的不同，从而影响天平测量的准确度。
2.2 电子分析天平时漂产生的机理
2.2.1 永磁体的自然退磁
电磁力平衡传感器中，永磁体的磁感应强度B是随时间变化的，存在自然退磁现象。未经老化处理的永磁体，其磁感应强度每年大约降低0.5%，这是电子分析天平产生时漂的主要原因。
2.2.2 簧片及金属材料的蠕变
电磁力平衡传感器中的簧片等弹性材料的应变会随时间缓慢增加，即存在蠕变行为。另外，金属材料的残余应力会使机械零部件发生热变形。对于高精密电子天平，即使环境变化很稳定，由于时间延续产生的蠕变及热变形都会对电磁力平衡传感器输出造成严重影响。
2.2.3 重力加速度的变化
当电子分析天平的使用地域发生变更时，会引起重力加速度g的变化，也会导致天平测量结果的变化。其变化量Δmg为：
式中，Δg为重力加速度的变化量。
3 电子分析天平漂移补偿方法
3.1 温漂补偿方法
3.1.1 硬件电路补偿
由上述可知，天平的称量质量m与L/g、B、L、Ic、Kl、N成正比，由于温度的变化使得B、L发生变化，而L/g、Ic、Kl、N几乎不改变，若要保证称量质量m不变，只需调节Ic即可满足要求。硬件电路补偿就是利用二极管PN结的负温度特性对动圈驱动电流Ic进行不同温度下的调节，进而实现称量质量的温度补偿，驱动电流Ic满足：
基准电压V，补偿电阻Rc1、Rc2和取样电阻R的值随温度变化相对稳定。因此，动圈电流Ic主要随VD的变化而发生改变。通过设计图1的电路，将受二极管两端的电压VD控制的电流Ic驱动动圈，就会使得Ic随温度变化的方向与BL的变化方向相反，通过选取合适的Rc1、Rc2、R阻值，即可保持B、L、Ic的乘积恒定不变，最终实现示值的温度补偿。
3.1.2 取样电阻的温度补偿
为避免温度变化对取样电阻R的影响，可将线绕取样电阻采用两种线径相等、温度系数绝对值相等的正、负温度系数电阻丝串联绕制，两种电阻丝随温度变化引起的阻值变化相反，可以保证总电阻即取样电阻不受温度影响。若二种电阻丝的温度系数分別为ρ、-ρ，则取样电阻在温度为Ts时的电阻值R（Ts）为：
式中，ΔT为温度变化量；R（T0）为T0温度时取样电阻的阻值。取样电阻温度补偿的关键是选取正、负温度系数的电阻丝，绕制时还应保证正、负温度系数电阻丝绕制的电阻各为。
3.2 时漂的补偿方法
3.2.1 永磁体、恒弹性材料及元器件的老化处理
永磁体、拉簧、恒弹性片、机械称重零部件、电子元器件等在使用前，都必须进行老化处理。金属材料可通过热处理，消除时漂影响；电子元器件可通过高低温处理稳定其工作性能。
3.2.2 重力加速度的自校准
电子分析天平工作时所处纬度、海拔高度的改变引起的重力加速度g的变化会造成电子分析天平的漂移输出，为排除重力加速度g对电子分析天平称量准确性的影响，可在天平内设置一个标准砝码，或用高精度标准砝码作为天平的校准砝码附件，通过对标准砝码的称量，自动校准g，并将g值存储于单片机系统的存储单元中，用以修正重力加速度g的影响。
结束语
除了上述介绍的补偿方法外，只要从电子天平产生漂移的机理进行分析，还会有很多其他的办法。总之，可以根据天平的具体结构、精度要求以及所用材料的特性等来选择切实有效的办法，就能得到良好的漂移补偿效果，进而提升电子分析天平的测量准确度。
参考文献
[1] 唐享，滕召胜，黄强，叶红霞，林海军.脉宽调制式电子分析天平的漂移补偿方法研究[J].仪器仪表学报，2014，11：2466-2472.
[2] 黄强，滕召胜，唐享，林海军，刘亚坤.电子分析天平温度漂移补偿算法研究[J].仪器仪表学报，2015，09：1987-1995.
[关键词]电子分析天平；温漂；时漂；机理；补偿方法
中图分类号：TU894 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0315-01
引言
电子分析天平是一种十分精密的计量仪器，传感器和电路受工作温度影响；随使用时间增长，仪器某些参数逐渐的变化；气流、振动、电磁干扰等环境因素，这些都会使电子分析天平产生漂移。其中，气流、振动、电磁干扰等环境因素的影响，可以通过对使用条件加以约束来将影响程度降到最低。而温漂和时漂形成的原因复杂，并且产生的漂移量很大，必须加以抑制。
1 脉宽调制式电子分析天平工作原理
当秤盘加载质量m的试样后，电磁力平衡传感器平衡状态发生改变，导致光栅发生Δs的位移，继而光敏二极管生成正比于Δs的电流信号ΔI。经过信号变换、PID电路调节，ΔI转变为电压信号U。U与固定锯齿波信号比较，然后产生调宽脉冲，调宽脉冲再控制恒流源Ic在一个调制周期Q中流过动圈的时长（时长为调宽脉冲的负脉冲宽度Qw）。动圈导线在磁路气隙磁场的作用下，产生的与重力力矩相反方向的电磁力矩使光栅位移Δs减小，继而光敏二极管所产生的ΔI变小。而PID积分环节使调宽脉冲的Qw继续变宽，动圈产生的电磁力矩将继续增大，直至光栅重新回至初始位置。此时，电磁力矩和重力力矩相等，即：
（m+mc）g=BILKl
式中，mc为杠杆处于平衡时横梁组件等效质量；Kl为杠杆比，即支点和动圈导线中心的距离与支点和秤盘中心的距离之比；B为永磁体的磁感应强度；L为动圈有效总长度。此时，Qw被送至计数器量化成以计数时钟周期为单位的计数值，即：
式中，N为计数时钟对调宽脉冲的负脉冲宽度计数值；N0为Q对计数时钟周期的比值。上述两式结合可得电子分析天平质量称量的数学模型：
式中，K为称量比例系数；V为电压基准值；R为取样电阻值。利用标准砝码校准K和mc值后，把计数值N送至单片机系统进行各级数据处理，即可计算出被称物体的质量m。
2 电子分析天平产生漂移的机理
2.1 电子分析天平温漂产生的机理
环境温度变化、动圈载流发热、电路元器件的发热等，都将引起永磁气隙中的磁感应强度B、动圈导线长度L和取样电阻R的变化，而从上式可知，这几个参数的变化都会造成天平示值的不同，从而影响天平测量的准确度。
2.2 电子分析天平时漂产生的机理
2.2.1 永磁体的自然退磁
电磁力平衡传感器中，永磁体的磁感应强度B是随时间变化的，存在自然退磁现象。未经老化处理的永磁体，其磁感应强度每年大约降低0.5%，这是电子分析天平产生时漂的主要原因。
2.2.2 簧片及金属材料的蠕变
电磁力平衡传感器中的簧片等弹性材料的应变会随时间缓慢增加，即存在蠕变行为。另外，金属材料的残余应力会使机械零部件发生热变形。对于高精密电子天平，即使环境变化很稳定，由于时间延续产生的蠕变及热变形都会对电磁力平衡传感器输出造成严重影响。
2.2.3 重力加速度的变化
当电子分析天平的使用地域发生变更时，会引起重力加速度g的变化，也会导致天平测量结果的变化。其变化量Δmg为：
式中，Δg为重力加速度的变化量。
3 电子分析天平漂移补偿方法
3.1 温漂补偿方法
3.1.1 硬件电路补偿
由上述可知，天平的称量质量m与L/g、B、L、Ic、Kl、N成正比，由于温度的变化使得B、L发生变化，而L/g、Ic、Kl、N几乎不改变，若要保证称量质量m不变，只需调节Ic即可满足要求。硬件电路补偿就是利用二极管PN结的负温度特性对动圈驱动电流Ic进行不同温度下的调节，进而实现称量质量的温度补偿，驱动电流Ic满足：
基准电压V，补偿电阻Rc1、Rc2和取样电阻R的值随温度变化相对稳定。因此，动圈电流Ic主要随VD的变化而发生改变。通过设计图1的电路，将受二极管两端的电压VD控制的电流Ic驱动动圈，就会使得Ic随温度变化的方向与BL的变化方向相反，通过选取合适的Rc1、Rc2、R阻值，即可保持B、L、Ic的乘积恒定不变，最终实现示值的温度补偿。
3.1.2 取样电阻的温度补偿
为避免温度变化对取样电阻R的影响，可将线绕取样电阻采用两种线径相等、温度系数绝对值相等的正、负温度系数电阻丝串联绕制，两种电阻丝随温度变化引起的阻值变化相反，可以保证总电阻即取样电阻不受温度影响。若二种电阻丝的温度系数分別为ρ、-ρ，则取样电阻在温度为Ts时的电阻值R（Ts）为：
式中，ΔT为温度变化量；R（T0）为T0温度时取样电阻的阻值。取样电阻温度补偿的关键是选取正、负温度系数的电阻丝，绕制时还应保证正、负温度系数电阻丝绕制的电阻各为。
3.2 时漂的补偿方法
3.2.1 永磁体、恒弹性材料及元器件的老化处理
永磁体、拉簧、恒弹性片、机械称重零部件、电子元器件等在使用前，都必须进行老化处理。金属材料可通过热处理，消除时漂影响；电子元器件可通过高低温处理稳定其工作性能。
3.2.2 重力加速度的自校准
电子分析天平工作时所处纬度、海拔高度的改变引起的重力加速度g的变化会造成电子分析天平的漂移输出，为排除重力加速度g对电子分析天平称量准确性的影响，可在天平内设置一个标准砝码，或用高精度标准砝码作为天平的校准砝码附件，通过对标准砝码的称量，自动校准g，并将g值存储于单片机系统的存储单元中，用以修正重力加速度g的影响。
结束语
除了上述介绍的补偿方法外，只要从电子天平产生漂移的机理进行分析，还会有很多其他的办法。总之，可以根据天平的具体结构、精度要求以及所用材料的特性等来选择切实有效的办法，就能得到良好的漂移补偿效果，进而提升电子分析天平的测量准确度。
参考文献
[1] 唐享，滕召胜，黄强，叶红霞，林海军.脉宽调制式电子分析天平的漂移补偿方法研究[J].仪器仪表学报，2014，11：2466-2472.
[2] 黄强，滕召胜，唐享，林海军，刘亚坤.电子分析天平温度漂移补偿算法研究[J].仪器仪表学报，2015，09：1987-1995.