可用于電子秤質(zhì)檢的電磁砝碼設(shè)計(jì)方案

王贊森，馬維華，趙維亮

(1．南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京 210016；2. 華南理工大學(xué))

王贊森1，馬維華1，趙維亮2

(1．南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京 210016；2. 華南理工大學(xué))

本文設(shè)計(jì)了一種電磁砝碼，由NUC140、螺管式電磁鐵構(gòu)成，替代標(biāo)準(zhǔn)砝碼。微控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過外圍電路放大后驅(qū)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生電磁力，不同的PWM信號(hào)可以模擬出不同質(zhì)量的砝碼。電磁砝碼可安裝于電子秤內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)高效、方便、自動(dòng)化的質(zhì)檢。

電磁鐵；電磁砝碼；NUC140；電子秤；質(zhì)檢

引 言

本文提出了一種電磁砝碼的設(shè)計(jì)方案，將推拉式電磁鐵安裝在電子秤內(nèi)，對(duì)電子秤托盤產(chǎn)生向下的電磁力，替代標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力，利用微控制器和驅(qū)動(dòng)電路控制電磁鐵中的電流，產(chǎn)生不同大小的電磁力，達(dá)到模擬不同質(zhì)量砝碼的效果。

1 電子秤的特性

電子秤用于測(cè)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(jī)械秤、電子秤、機(jī)電結(jié)合秤三大類。

本文中的電子秤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(shí)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(huì)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。

圖1 商用電子秤總體結(jié)構(gòu)圖

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(cè)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(huì)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(cè)到。

圖2 彈性體受力過程圖

為了能夠根據(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(shí)，電阻會(huì)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。

圖3 兩種電阻應(yīng)變片示意圖

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(zhǎng)的金屬絲彎曲成100段貼在彈性體上，當(dāng)彈性體發(fā)生形變時(shí)，每一段金屬絲的形變量是ΔL，那么整個(gè)金屬絲的形變量就是100×ΔL，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(shí)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(cè)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(dāng)電子秤稱重時(shí)，只有彈性體發(fā)生微小形變，電子秤托盤幾乎不會(huì)發(fā)生位移。

2 電磁砝碼設(shè)計(jì)

電磁砝碼的設(shè)計(jì)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(gè)電磁鐵，通過電磁鐵對(duì)托盤(托盤下方會(huì)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(huì)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(jià)低廉，并且可以利用電子秤托盤不會(huì)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(jiǎn)化了控制電路的設(shè)計(jì)，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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(dòng)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。

圖4 電磁鐵基本結(jié)構(gòu)示意圖

① F：電磁鐵鐵芯和銜鐵之間總的吸引力大小。

② B0：銜鐵內(nèi)部的磁通密度。

③ S：鐵芯和銜鐵吸合部分的面積。

④ u0：真空中的磁導(dǎo)率。

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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，本文中電磁砝碼選擇電磁鐵結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮的因素有兩個(gè)：一個(gè)是電磁鐵吸引力，另一個(gè)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?yàn)殡姶彭来a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(huì)導(dǎo)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(gè)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(gè)：一個(gè)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(zhǎng)度的勵(lì)磁安匝IN決定；另一個(gè)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(gè)半徑為d、長(zhǎng)度為k的圓柱體，當(dāng)鐵芯和銜鐵完全閉合時(shí)，工作氣隙就會(huì)消失。工作氣隙一旦產(chǎn)生，線圈產(chǎn)生的部分磁感線會(huì)泄露到工作氣隙中，產(chǎn)生漏磁。這部分漏磁也會(huì)對(duì)鐵芯產(chǎn)生電磁力，工作氣隙的長(zhǎng)度k越小，電磁力越大。

圖5 直流螺管式電磁鐵結(jié)構(gòu)圖

螺管式電磁鐵的電磁力大小和很多因素有關(guān)，對(duì)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(lái)計(jì)算電磁力：

其中，I是線圈電流,，N是線圈匝數(shù)，h是線圈長(zhǎng)度，y為線圈半徑, d是鐵芯半徑，k是工作氣隙長(zhǎng)度, x 是鐵芯進(jìn)入線圈內(nèi)部的長(zhǎng)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(zhǎng)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(dāng)電磁鐵鐵芯與連接桿之間的橋梁，負(fù)責(zé)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。

圖6 電磁砝碼結(jié)構(gòu)圖

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(gè)整體，電磁鐵的鐵芯會(huì)隨著電子秤托盤的移動(dòng)而移動(dòng)，鐵芯移動(dòng)的長(zhǎng)度和托盤移動(dòng)長(zhǎng)度一致。而上文分析指出，電子秤稱重時(shí)，托盤只會(huì)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(dòng)距離可以忽略不計(jì)。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(zhǎng)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(huì)改變，即電磁鐵的工作氣隙長(zhǎng)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(fù)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(gè)活動(dòng)氣隙，上下兩個(gè)氣隙可以讓鐵芯小幅度上下移動(dòng)，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(shí)，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(shí)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(dāng)于在托盤上放置一個(gè)質(zhì)量為F1/g的砝碼，重力傳感器的電阻值將會(huì)變化ΔR，質(zhì)檢時(shí)只需給線圈中通入大小為I1的電流，并檢測(cè)重力傳感器電阻值是否變化了ΔR，如果變化量不是ΔR,說明電子秤稱量不準(zhǔn)確。

實(shí)際使用時(shí)，重力傳感器的電阻值R會(huì)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)，p是人工設(shè)定的值)。未安裝電磁砝碼前，重力傳感器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(gè)微控制器，本文選用ARM Cortex-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(dá)到控制電流大小的目的?？刂齐娐啡鐖D7所示，線圈需要的驅(qū)動(dòng)電壓較大，不能由微控制器直接提供，需要外接一個(gè)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(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，V+電壓加載在線圈上，PWM口無(wú)電壓時(shí)，光電耦合器截止，線圈兩端無(wú)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。

圖7 外圍控制電路示意圖

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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)砝碼M的重力，即電磁砝碼A模擬出了質(zhì)量為m的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力，所以稱m為電磁砝碼A模擬出的標(biāo)準(zhǔn)砝碼的質(zhì)量，在不引起歧義的情況下，簡(jiǎn)稱為電磁砝碼質(zhì)量。

在質(zhì)檢過程中，往往需要檢測(cè)不同質(zhì)量下電子秤是否都能夠準(zhǔn)確測(cè)量，所以需要根據(jù)實(shí)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0.01 m;線圈長(zhǎng)度h為0.05 m;工作氣隙長(zhǎng)度k為0.002 m;鐵芯進(jìn)入線圈內(nèi)部的長(zhǎng)度x為0.048 m;線圈半徑y(tǒng)為0.005 m。

那么電磁砝碼質(zhì)量m=4.5607×I2(單位為kg，當(dāng)g取9.8/s2時(shí))，線圈中的導(dǎo)線采用直徑為1 mm的銅質(zhì)漆包線，導(dǎo)線中最大可通電電流為2.36 A。安全起見，設(shè)定電磁砝碼有效工作電流大小為0～2 A，電磁砝碼的質(zhì)量可以在0～18.242 8 kg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(dòng)電路的平均驅(qū)動(dòng)電壓決定，平均驅(qū)動(dòng)電壓由驅(qū)動(dòng)電壓作用在線圈上的時(shí)間決定，電壓作用時(shí)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。

圖8 電磁砝碼質(zhì)量控制流程圖

電子秤選用大華SY-A 系列電子收銀秤，根據(jù)電子秤量程，選擇0 kg、1 kg、3 kg、5 kg、8 kg、10 kg、13 kg、15 kg這8個(gè)刻度檢測(cè)電子秤是否標(biāo)準(zhǔn)，而使電磁砝碼呈現(xiàn)上述刻度的質(zhì)量需要調(diào)整PWM值，每個(gè)質(zhì)量所需要的PWM值可以根據(jù)公式計(jì)算得出，如表1所列。

表1 電磁砝碼質(zhì)量與理論P(yáng)WM值對(duì)應(yīng)表

表1中的PWM值只是理論上計(jì)算得出的結(jié)果，但是本文使用的電磁力公式只是經(jīng)驗(yàn)公式，并且由于鐵芯是活動(dòng)的，電磁砝碼在安裝時(shí)工作氣隙長(zhǎng)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(jìn)行校準(zhǔn)。電磁砝碼質(zhì)量的校準(zhǔn)以表中PWM為初始值，在初始值±10 000內(nèi)查找實(shí)際PWM值，采用二分查找法，校準(zhǔn)流程圖略——編者注。

校準(zhǔn)算法根據(jù)電子秤示數(shù)判斷實(shí)際PWM值所在區(qū)間，區(qū)間大小設(shè)為10 000，電子秤靈敏度為1 g，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(shí)際PWM值所在段，用該段首值或者尾值作為實(shí)際PWM值的近似值。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)間進(jìn)行開展質(zhì)檢，不影響商家正常工作，并且實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)化質(zhì)檢，不需要人工干預(yù)，測(cè)得數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳送至后臺(tái)。

經(jīng)過試驗(yàn)，在施加特定的驅(qū)動(dòng)電壓后，電磁砝碼確實(shí)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(cè)試范圍、測(cè)試效率都優(yōu)于傳統(tǒng)人工放置砝碼的方式。

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Wang Zansen1,Ma Weihua1,Zhao Weiliang2

(1.School of Computer Science and Technology,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.South China University of Technology)

This paper designs an electromagnetic farmar,which consists of NUC140 and electromagnet.The PWM signal is generated by microcontroller,and it will drive electromagnet to produce electromagnetic force after amplified by external driving circuit.Different PWM signals can simulate farmar of different weights,so we can install electromagnetic farmar in the electronic balance to achieve efficient, convenient, automatic quality inspection.

electromagnet;electromagnetic farmar;NUC140;electronic balance;quality inspection

TP36

A

?迪娜

2014-10-21)