可用于地磅質(zhì)檢的電磁砝碼設(shè)計方案

本文設(shè)計了一種電磁砝碼 ，由 ＮＵＣ１４０、螺管式電磁鐵構(gòu)成，替代標準砝碼。微控制器產(chǎn)生 ＰＷＭ 信號，通過外圍電路放大后驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生電磁力，不同的ＰＷＭ 信號可以模擬出不同質(zhì)量的砝碼。電磁砝碼可安裝于地磅內(nèi)部，實現(xiàn)高效、方便、自動化的質(zhì)檢。

引 言

本文提出了一種電磁砝碼的設(shè)計方案，將推拉式電磁鐵安裝在地磅內(nèi)，對地磅托盤產(chǎn)生向下的電磁力，替代標準砝碼的重力，利用微控制器和驅(qū)動電路控制電磁鐵中的電流，產(chǎn)生不同大小的電磁力，達到模擬不同質(zhì)量砝碼的效果。

１.地磅的特性

地磅用于測量物體的質(zhì)量，主要由承重系統(tǒng)（如秤盤、秤體）、傳力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（如杠桿傳力系統(tǒng)、傳感器）和示值系統(tǒng)（如刻度盤、電子顯示儀表）三部分組成。按結(jié)構(gòu)原理可分為機械秤、電子秤、機電結(jié)合秤三大類。

本文中的地磅指的是一般商用電子秤，由托盤、秤體、重力傳感器、示數(shù)系統(tǒng)組成，如圖１所示。使用時物品放置在托盤上，托盤與重力傳感器直接相連且沒有別的結(jié)構(gòu)支撐，物品重力會借助托盤直接作用在重力傳感器上，重力傳感器將壓力轉(zhuǎn)化為電流值，通過示數(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量示數(shù)并顯示在示數(shù)牌上。

商用電子秤中采用的重力傳感器一般是電阻應(yīng)變式重力傳感器，由彈性體、電阻應(yīng)變片、測量電路組成。其中，彈性體由金屬材料制成，在受到外力的情況下會發(fā)生微小的形變，如圖２所示，這種形變非常小，一般只有幾 μｍ，很難觀測到。

了能夠根據(jù)這種微小的形變量推算出物體的質(zhì)量，首先需要放大形變量，然后再將形變轉(zhuǎn)化為示數(shù)。電阻應(yīng)變式傳感器是用金屬電阻應(yīng)變片將彈性體的形變量轉(zhuǎn)化為電阻，金屬應(yīng)變片在受到外力拉伸時，電阻會發(fā)生改變。常用的金屬應(yīng)變片有金屬絲式和金屬箔式兩類，如圖３所示。

不管是哪種應(yīng)變片，都要緊貼在彈性體上，并且成多匝，目的是放大彈性體的形變量。以金屬絲式為例，假設(shè)將一根較長的金屬絲彎曲成１００段貼在彈性體上，當彈性體發(fā)生形變時，每一段金屬絲的形變量是 Ｌ，那么整個金屬絲的形變量就是１００× Ｌ，就將彈性體的形變量放大了１００倍。通過轉(zhuǎn)換電路就能得出電阻的變化量，根據(jù)電阻變化量可以推算出物品的重力 Ｇ，物品質(zhì)量 ｍ＝Ｇ／ｇ。

綜上所述，電子秤稱重是通過重力傳感器實現(xiàn)的，而重力傳感器頂部是彈性體，彈性體貼有電阻應(yīng)變片，內(nèi)部中空，放置測量電路，四周及底部均是剛性材料制作的外殼，重力傳感器與電子秤的托盤和底座直接相連。當電子秤稱重時，只有彈性體發(fā)生微小形變，電子秤托盤幾乎不會發(fā)生位移。

２ 電磁砝碼設(shè)計

電磁砝碼的設(shè)計思路是根據(jù)電子秤的基本稱重原理，在電子秤內(nèi)部安裝一個電磁鐵，通過電磁鐵對托盤（托盤下方會連接鐵質(zhì)材料）產(chǎn)生向下的電磁力，在電磁力的作用下，托盤會向下壓迫重力傳感器，使重力傳感器中的彈性體發(fā)生形變，模擬出在托盤放置砝碼的效果。電磁鐵造價低廉，并且可以利用電子秤托盤不會產(chǎn)生下降位移的特性，只需要控制電磁鐵電流的大小，就可以模擬出各種質(zhì)量的砝碼，大大簡化了控制電路的設(shè)計，降低了成本。

２．１ 電磁鐵選型

電磁鐵是通電產(chǎn)生磁性的一種裝置，在鐵芯的外部纏繞線圈，通電后線圈會產(chǎn)生磁場，將線圈內(nèi)部的鐵芯磁化，磁化后的鐵芯像永磁鐵一樣具有磁力。電磁鐵一般由線圈、靜鐵芯、動鐵芯（銜鐵）三部分構(gòu)成。電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)有３種，如圖４所示。

根據(jù)電磁鐵的吸引力公式可知，電磁鐵吸引力的大小與吸合面積、銜鐵內(nèi)部磁通密度有關(guān)，吸合面積越大，吸引力越大；銜鐵內(nèi)部磁通密度越大，吸引力越大。

每一種電磁鐵結(jié)構(gòu)都有其獨特的優(yōu)點，本文中電磁砝碼選擇電磁鐵結(jié)構(gòu)時，需要考慮的因素有兩個：一個是電磁鐵吸引力，另一個是電磁鐵的體積。為了能夠精確模擬出各種質(zhì)量的砝碼，需要電磁砝碼能夠提供足夠大的電磁力，因為電磁砝碼需要安裝在商用電子秤中，在不改變電子秤原有結(jié)構(gòu)的前提下，自然要求電磁砝碼越小越好。從

吸引力角度考慮，馬蹄形結(jié)構(gòu)和螺管式都可以，但是馬蹄形結(jié)構(gòu)如果兩端靠得太近會導致電磁力急劇減小，很難將體積做小。綜合考慮，選擇螺管式結(jié)構(gòu)。

２．２ 螺管式電磁鐵

一般的直流螺管式結(jié)構(gòu)電磁鐵由鐵芯、一個線圈和將鐵芯與線圈全部包裹的銜鐵組成，如圖５所示。螺管式結(jié)構(gòu)受到的電磁力有兩個：一個力是線圈主磁通產(chǎn)生的，力的大小由沿線圈高度方向上單位長度的勵磁安匝ＩＮ 決定；另一個力是工作氣隙中的漏磁通產(chǎn)生的，力的大小由工作氣隙大小決定。工作氣隙就是圖中鐵芯和銜鐵之間的這段空間，是一個半徑為ｄ、長度為ｋ的圓柱體，當鐵芯和銜鐵完全閉合時，工作氣隙就會消失。工作氣隙一旦產(chǎn)生，線圈產(chǎn)生的部分磁感線會泄露到工作氣隙中，產(chǎn)生漏磁。這部分漏磁也會對鐵芯產(chǎn)生電磁力，工作氣隙的長度ｋ越小，電磁力越大。

螺管式電磁鐵的電磁力大小和很多因素有關(guān)，對于這種結(jié)構(gòu)，在不考慮鐵芯磁阻飽和的情況下，可以使用以下的公式來計算電磁力：

為線圈半徑，ｄ是鐵芯半徑，ｋ是工作氣隙長度，ｘ是鐵芯進入線圈內(nèi)部的長度。在線圈、銜鐵、鐵芯尺寸全部確定的情況下，螺管式電磁鐵的吸引力完全由工作氣隙長度ｋ和線圈中的電流大小Ｉ決定。

２．３ 電磁砝碼結(jié)構(gòu)

電磁砝碼是由螺管式電磁鐵、銅軸、連接桿共同構(gòu)成的，固定在電子秤的底座上，銅軸充當電磁鐵鐵芯與連接桿之間的橋梁，負責將電磁鐵的牽引力傳遞給牽引桿，由牽引桿均勻地作用在電子秤的托盤上，模擬出砝碼重力的效果，如圖６所示。

在電磁砝碼和電子秤共同構(gòu)成的系統(tǒng)中，托盤、連接桿、銅軸、電磁鐵鐵芯之間都是剛性連接，可以看成一個整體，電磁鐵的鐵芯會隨著電子秤托盤的移動而移動，鐵芯移動的長度和托盤移動長度一致。而上文分析指出，電子秤稱重時，托盤只會有微小形變，上下位移基本為零，所以電子秤工作過程中電磁鐵鐵芯的上下移動距離可以忽略不計。在線圈、銜鐵、鐵芯尺寸確定的情況下，螺管式電磁鐵吸引力由工作氣隙長度ｋ和線圈中的電流大小Ｉ共同決定。本文中鐵芯位置不會改變，即電磁鐵的工作氣隙長度ｋ不變，那么吸引力只由線圈中電流大小Ｉ決定，吸引力大小和電流Ｉ的平方成正比。只需要給電磁砝碼施加不同大小的電流就可以產(chǎn)生大小不同的電磁力，大大降低了電磁砝碼控制部分的復雜度。

電磁砝碼除了在鐵芯和銜鐵底部之間留有空氣間隙外，鐵芯和銜鐵上部同樣也有一個活動氣隙，上下兩個氣隙可以讓鐵芯小幅度上下移動，這樣既便于安裝，又可以確保托盤的靈活性。

托盤不放置物品時，重力傳感器受到的壓力是托盤、承重軸、連接桿、銅軸、鐵芯這５者重力之和Ｆ０，重力傳感器電阻值是Ｒ０，這時若給線圈中通入大小為Ｉ１ 的電流，產(chǎn)生向下、大小為Ｆ１ 的電磁力，則托盤受到的合力是Ｆ０ ＋Ｆ１，相當于在托盤上放置一個質(zhì)量為Ｆ１／ｇ的砝碼，重力傳感器的電阻值將會變化 Ｒ，質(zhì)檢時只需給線圈中通入大小為Ｉ１ 的電流，并檢測重力傳感器電阻值是否變化了Ｒ，如果變化量不是 Ｒ，說明電子秤稱量不準確 。

實際使用時，重力傳感器的電阻值 Ｒ 會通過電子秤內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為示數(shù) Ｘ，Ｘ＝ｋ×Ｒ＋ｐ（ｋ是比例系數(shù)， 是人工設(shè)定的值）。未安裝電磁砝碼前，重力傳感器ｐ受到的壓力只是托盤、承重軸的重力，電阻值是 Ｒｒ，控制系統(tǒng)中設(shè)置參數(shù)ｐ的值，使得Ｘ＝ｋ×Ｒｒ＋ｐ＝０（方便用戶使用），在安裝了電磁砝碼后，受到的壓力增加了，電阻值變化為Ｒ０，示數(shù) Ｘ＝ｋ×Ｒ０＋ｐ將不再為零。為了讀數(shù)方便，需要重新設(shè)置ｐ值，使得Ｘ仍然為０。

２．４ 外圍電路

為了能夠控制電磁砝碼線圈中的電流大小，需要外接一個微控制器，本文選用ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ０內(nèi)核３２位微控制器 ＮＵＣ１４０，采用控制輸出電壓占空比的方式，控制線圈的平均電壓，達到控制電流大小的目的。控制電路如圖７所示，線圈需要的驅(qū)動電壓較大，不能由微控制器直接提供，需要外接一個穩(wěn)壓電源 Ｖ＋給線圈供電，微控制器的ＰＷＭ 口輸出ＰＷＭ 波形，ＰＷＭ 口有電壓時，光電耦合器導通，Ｖ＋電壓加載在線圈上，ＰＷＭ 口無電壓時，光電耦合器截止，線圈兩端無電壓。通過調(diào)節(jié) ＰＷＭ 的占空比，可以控制線圈兩端的平均電壓，由于線圈的阻抗保持不變，線圈電流也和線圈兩端平均電壓成正比。

3.電磁砝碼質(zhì)量控制

假設(shè)電磁砝碼Ａ，在電流Ｉ的作用下產(chǎn)生了電磁力Ｆ，對于標準砝碼 Ｍ（質(zhì)量為 ｍ），如果 ｍ＝Ｆ／ｇ，那么電磁力Ｆ的效果等同于標準砝碼 Ｍ 的重力，即電磁砝碼 Ａ 模擬出了質(zhì)量為 ｍ 的標準砝碼的重力，所以稱 ｍ 為電磁砝碼 Ａ模擬出的標準砝碼的質(zhì)量，在不引起歧義的情況下，簡稱為電磁砝碼質(zhì)量。

在質(zhì)檢過程中，往往需要檢測不同質(zhì)量下電子秤是否都能夠準確測量，所以需要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)電磁砝碼質(zhì)量，由電磁砝碼吸引力公式可知，電磁砝碼的質(zhì)量為：

在電磁砝碼規(guī)格確定的情況下，由電磁砝碼中的電流大小Ｉ決定。本文中電磁砝碼采用以下的規(guī)格為線圈匝數(shù) Ｎ為１０００匝；鐵芯半徑ｄ為０．０１ｍ；線圈長度ｈ為０．０５ｍ；工作氣隙長度ｋ為０．００２ｍ；鐵芯進入線圈內(nèi)部的長度ｘ為０．０４８ｍ；線圈半徑ｙ為０．００５ｍ。

那么電磁砝碼質(zhì)量 ｍ＝４．５６０７×Ｉ２（單位為ｋｇ，當ｇ取９．８／ｓ２ 時），線圈中的導線采用直徑為１ｍｍ 的銅質(zhì)漆包線，導線中最大可通電電流為２．３６Ａ。安全起見，設(shè)定電磁砝碼有效工作電流大小為０～２Ａ，電磁砝碼的質(zhì)量可以在０～１８．２４２８ｋｇ之間調(diào)整。

電磁砝碼的質(zhì)量由通過電磁砝碼的電流Ｉ控制，Ｉ由驅(qū)動電路的平均驅(qū)動電壓決定，平均驅(qū)動電壓由驅(qū)動電壓作用在線圈上的時間決定，電壓作用時間由微控制器的ＰＷＭ 波形決定。電磁砝碼質(zhì)量控制流程如圖８所示。

控制流程中最關(guān)鍵的部分是如何根據(jù)需要的質(zhì)量查找對應(yīng)的ＰＷＭ 數(shù)值，使得電磁砝碼質(zhì)量符合需要。在本文的電磁砝碼規(guī)格下，電磁砝碼質(zhì)量 ｍ＝４．５６０７×Ｉ２ ｋｇ，所用漆包線的長度為９４．２ｍ，可以計算得出漆包線的電阻為２．１Ω，要達到最大質(zhì)量范圍，需要施加的電壓是４．２Ｖ，為了留有調(diào)整空間，設(shè)定最大電壓為５Ｖ。本文選用的ＮＵＣ１４０微控制器使用１６位寄存器控制 ＰＷＭ 波形，可表１中的ＰＷＭ 值只是理論上計算得出的結(jié)果，但是本文使用的電磁力公式只是經(jīng)驗公式，并且由于鐵芯是活動的，電磁砝碼在安裝時工作氣隙長度與理論值有一定偏差，所以表中的ＰＷＭ 值只能作為參考數(shù)值，需要在電磁砝碼安裝后進行校準。電磁砝碼質(zhì)量的校準以表 中ＰＷＭ 為初始值，在初始值±１００００內(nèi)查找實際ＰＷＭ 值，采用二分查找法，校準流程圖略———編者注。

校準算法根據(jù)電子秤示數(shù)判斷實際ＰＷＭ 值所在區(qū)間，區(qū)間大小設(shè)為１００００，電子秤靈敏度為１ｇ，則最小ＰＷＭ 變化應(yīng)該是４０６，本文中取４００，將區(qū)間劃分為２５段，采用二分查找快速確定實際ＰＷＭ 值所在段，用該段首值或者尾值作為實際ＰＷＭ 值的近似值。

結(jié) 語

本文設(shè)計的電磁砝碼以螺管式電磁鐵為主體，安裝在電子秤的內(nèi)部，使用微控制器及驅(qū)動電路控制電磁砝碼，可以產(chǎn)生任意大小的吸引力，替代傳統(tǒng)砝碼。能夠在電子秤空閑時間進行開展質(zhì)檢，不影響商家正常工作，并且實現(xiàn)了完全的自動化質(zhì)檢，不需要人工干預，測得數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳送至后臺。

經(jīng)過試驗，在施加特定的驅(qū)動電壓后，電磁砝碼確實能夠在微控制器的控制下產(chǎn)生電子秤量程范圍內(nèi)的任意吸引

力，測試范圍、測試效率都優(yōu)于傳統(tǒng)人工放置砝碼的方式。