电子分析天平及用于电子分析天平的电路装置

本公开涉及测量，特别是涉及一种电子分析天平及用于电子分析天平的电路装置。

背景技术：

1、电子分析天平是一种应用于科研、工业和国防领域的高精密质量计量仪器，它是利用电磁力矩和重力矩平衡的原理来测量物体质量。其中图1示出了现有的电子分析天平的示意图。参考图1所示，电子分析天平包括天平机构910、调宽脉冲信号电路920、电磁线圈驱动电路930以及计量电路940。

2、其中天平机构910包括称盘911、与称盘911连接的电磁平衡传感器912、发光管914、光敏管915a和915b以及光电转换电路917。其中，电磁平衡传感器912的横梁913连接有遮光片918，从而遮光片918设置于发光管914与光敏管915a和915b之间，能够用于阻隔发光管914发出的光线。并且，光敏管915a和915b以及光电转换电路917共同构成光电检测电路。

3、调宽脉冲信号电路920包括与光电转换电路917连接的pid控制器921、锯齿波发生器922以及比较器923。其中pid控制器921的输出端以及锯齿波发生器922的输出端分别与比较器923的输入端连接。从而比较器923输出与pid控制器921的输出电压相关的调宽脉冲信号。

4、电磁线圈驱动电路930包括三极管931以及恒流源932。其中三极管931的基极与比较器923的输出端连接，接收比较器923输出的调宽脉冲信号。三极管931的发射极与电磁平衡传感器912的线圈916的一端连接，三极管931的集电极以及恒流源932与线圈916的另一端连接。从而通过调宽脉冲信号控制三极管931的通断，可以控制恒流源932向线圈916输送电流。

5、计量电路940包括计数器941以及与计数器941连接的微处理器942。其中计数器941根据调宽脉冲信号的宽度进行计数，微处理器942根据计数器941的计数值计算称盘911上负载的质量。

6、具体地，当称盘911上放置负载时，导致遮光片918上移。从而光敏管915a和915b接收发光管914的光线并产生变化的电流信号，经光电转换电路917转换为差分信号之后输入至pid控制器921。pid控制器921对光电转换电路917输出的差分信号进行pid调节后输出相应的电压信号，该电压信号与锯齿波发生器922生成的锯齿波信号进行比较后，由比较器923生成相应的调宽脉冲信号。调宽脉冲信号控制三极管931的通断，从而在三极管931断开时，恒流源932向线圈916输出电流，在三极管931导通时，恒流源932停止向线圈916输出电流。从而通过调宽脉冲信号控制输出至线圈916的平均电流的大小。

7、从而通电的线圈916在永磁体磁路气隙磁场作用下产生垂直向下的电磁力，使遮光片918向下移动。同时，pid控制器921的积分环节使得pid921控制器输出的电压也不断变大，使得更宽的调宽脉冲信号驱动更大的电流输出至线圈916从而不断驱动遮光片918向下移动。当遮光片918完全遮断发光管914与光敏管915a和915b时，光电转换电路917产生的差分信号为零，从而pid控制器921输出的电压不再改变，此时调宽脉冲信号的脉宽也不再改变，进而输出至线圈916的电流不再发生变化，天平机构910达到平衡状态。

8、计数器941根据调宽脉冲信号进行计数从而确定与该调宽脉冲信号的脉宽相应的计数值，微处理器942根据该计数值确定称盘911上负载的质量。

9、但是，现有的电子分析天平，存在以下问题：从电磁平衡传感器912的力学特性上看，由于输出至线圈916的电流受调宽脉冲信号的驱动时而导通时而断开，因此电磁力不断地对天平横梁913吸合和断开，在线圈916的电流导通和断开的时刻，电磁平衡传感器912会受到阶跃信号的激励。虽然时间极短，位移只有微米级，但运动位移被检测天平平衡的光电转换电路917放大后产生的电信号噪声比较大，影响电流测量精度，在工程上对精确度和重复性有很大影响。

10、针对上述的现有技术中存在的电子分析天平的电磁平衡传感器受到电流通断时阶跃信号的激励，导致产生的检测信号噪声较大，从而影响电子分析天平的精确度和重复性的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本公开提供了一种电子分析天平及用于电子分析天平的电路装置，以至少解决现有技术中存在的电子分析天平的电磁平衡传感器受到电流通断时阶跃信号的激励，导致产生的检测信号噪声较大，从而影响电子分析天平的精确度和重复性的技术问题。

2、根据本公开的一个方面，提供了一种电子分析天平，包括天平机构、电磁线圈驱动电路、调宽脉冲信号电路模块以及计量电路。其中天平机构包括：称盘；与称盘连接的电磁平衡传感器；以及用于检测电磁平衡传感器的平衡状态的光电检测电路。电磁线圈驱动电路包括：pid控制器以及晶体管开关，其中pid控制器的输入端与光电检测电路连接，并且pid控制器的输出端与晶体管开关的基极连接。晶体管开关的集电极与电压源vcc连接，晶体管开关的发射极与电磁平衡传感器的线圈的第一端连接，并向线圈的第一端施加电流，并且线圈的第二端与浮动电位节点a连接。调宽脉冲信号电路模块与浮动电位节点a连接，用于生成与施加至线圈的第一端的电流相应的调宽脉冲信号。并且计量电路与调宽脉冲信号电路模块连接，用于根据调宽脉冲信号，确定称盘上负载的质量。

3、根据本公开的另一个方面，提供了一种用于电子分析天平的电路装置，包括电磁线圈驱动电路、调宽脉冲信号电路模块以及计量电路。其中电子分析天平包括天平机构，天平机构包括：称盘；与称盘连接的电磁平衡传感器；以及用于检测电磁平衡传感器的平衡状态的光电检测电路。电磁线圈驱动电路包括：pid控制器以及晶体管开关，其中pid控制器的输入端与光电检测电路连接，并且pid控制器的输出端与晶体管开关的基极连接。晶体管开关的集电极与电压源vcc连接，晶体管开关的发射极与电磁平衡传感器的线圈的第一端连接，并向线圈的第一端施加电流，并且线圈的第二端与浮动电位节点a连接。调宽脉冲信号电路模块与浮动电位节点a连接，用于生成与施加至线圈的第一端的电流相应的调宽脉冲信号。并且计量电路与调宽脉冲信号电路模块连接，用于根据调宽脉冲信号，确定称盘上负载的质量。

4、综上，本公开的技术方案不再通过调宽脉冲信号控制电流源的方式向电磁平衡传感器的线圈输出电流，而是利用pid控制器的输出电压控制电源向线圈输出的电流。由于pid控制器输出的电压为逐步递增电压信号，因此晶体管开关一旦导通后，在电磁平衡传感器达到平衡前就不会再断开。当进入稳态时，线圈电流为稳恒电流，从而电源vcc可以持续向电磁平衡传感器的线圈传输电流，不会导致电磁平衡传感器受到阶跃信号的激励。并且本公开采用一种双闭环控制的脉宽调制电流电路，将传统测量方法中的pid控制器和电流测量混合电路解耦，降低了pid控制器参数整定难度，避免了求解机械传感器和平衡检测系统传输方程，提高了控制电路响应速度和电流测量精度。在未对测量数据进行非线性校正的情况下，31g量程的电子分析天平原始测量数据标准偏差为2e-5g，达到百万分度级精度，远优于同样电路和传感器的原始电子分析天平。从而，解决了现有技术中存在的电子分析天平的电磁平衡传感器受到电流通断时阶跃信号的激励，导致产生的检测信号噪声较大，从而影响电子分析天平的精确度和重复性的技术问题。

5、根据下文结合附图对本公开的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本公开的上述以及其他目的、优点和特征。