一种微电磁力称重传感器及其动态温度补偿方法与流程

本发明涉及微电磁力称重，具体涉及一种微电磁力称重传感器及其动态温度补偿方法。

背景技术：

1、微电磁力称重传感器是利用电流的磁效应进行称重的传感器，其广泛应用于各行业的高精密测量，诸如：环境、能源、临床检验等领域的检测；农业、食品医药、金属制造等领域的测量；航空航天燃料用量、化工行业等领域的分析等，其具有测量量程宽、测量速度快、测量精度高等特点，在高精密测量领域发挥出的重要性日渐突出。

2、例如公开号为cn103175595b，名称为基于电磁力补偿原理具有光电位置传感器的称重单元的发明专利公开了一种基于电磁力补偿原理的称重单元，包括固定底座部分，还包括安装在底座部分上永磁系统。悬置线圈通过力传递机构连接到负载接收器上并引导补偿电流。还包括光电位置传感器，其传感器信号对应于从零位起线圈的偏离。闭环控制器以这样的方式控制补偿电流，即在作用于线圈和永磁系统之间电磁力的作用下，线圈和与线圈连接的负载接收器被返回至它们的零位，实现物体的精准称重。

3、基于上述专利提供的称重原理，现有的电磁力补偿原理的称重单元例如公开号为cn216283845u，名称为电磁力平衡称重传感器的发明专利，公开了一种电磁力平衡称重传感器，虽然量程增加，但是由于其分体式结构使得整体结构包含众多零部件，使得装配工艺难度增加，同时由于不同部件在不同环境温度中产生的热胀冷缩效果不一致，从而使得测量精度降低，不能满足精密测量的实际使用需求。

4、在温度补偿方法的研究中，国内的微电磁力称重传感器主要是通过三极管pn节的温度特性进行电路的硬件补偿，这种补偿方式的缺点较为明显。首先，这种硬件的补偿方式与温度变化产生的漂移定量关系不明确，再次这种补偿方式与温度漂移存在明显的不对称性，产生温度漂移时，由于热传递效率存在时间响应，传统的硬件温度补偿方法无法有效应对温度实时变化的影响，无法实现对温度引起的测量误差的实时补偿。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种微电磁力称重传感器及其动态温度补偿方法，解决目前分体式微电磁力称重传感器测量精度低的问题。

2、本发明为实现上述目的技术方案为：

3、一种微电磁力称重传感器，其特征在于，包括传感器本体、电磁力平衡单元和温度补偿显示模块，所述传感器本体包括底座、悬臂称重单元和杠杆单元，所述悬臂称重单元设置在底座的一端，所述电磁力平衡单元设置在底座的另一端，所述杠杆单元设置在电磁力平衡单元与悬臂称重单元之间，杠杆单元的连接端与悬臂称重单元连接，杠杆单元的调节端延伸至电磁力平衡单元内侧，所述电磁力平衡单元与温度补偿显示模块通信连接。

4、进一步限定，所述温度补偿显示模块包括示值显示单元、温度补偿单元和温度传感器，所述温度传感器通过温度补偿单元与示值显示单元通信连接，温度传感器设置在底座上。

5、进一步限定，所述悬臂称重单元包括垂直梁、第一耦合梁、载荷支撑柱头、四个第一平行杠杆梁和多个弹性簧片，所述垂直梁与底座的一端垂直设置，所述第一耦合梁竖直设置在底座的上方，第一耦合梁与垂直梁平行，四个所述第一平行杠杆梁阵列设置在第一耦合梁与垂直梁之间，第一平行杠杆梁与底座平行设置，所述载荷支撑柱头设置在第一耦合梁的顶部，载荷支撑柱头位于垂直梁与第一耦合梁之间，载荷支撑柱头与第一平行杠杆梁之间，所述载荷支撑柱头的底部与杠杆单元的连接端连接；所述弹性簧片分别位于对应垂直梁与第一平行杠杆梁之间和第一耦合梁与第一平行杠杆梁之间。

6、进一步限定，所述悬臂称重单元还包括偏载力臂、偏载补偿力矩梁和偏载误差调节旋钮，所述偏载力臂位于垂直梁的底部并与垂直梁平行设置，偏载力臂与垂直梁之间设有调节间隙，所述偏载误差调节旋钮与偏载力臂底部螺纹连接，偏载误差调节旋钮穿过调节间隙并与垂直梁接触；所述偏载补偿力矩梁与偏载力臂平行设置，偏载补偿力矩梁的底部连在偏载力臂的顶部，偏载补偿力矩梁的顶部与垂直梁的顶部连接；

7、所述杠杆单元包括第二耦合梁、支撑梁和第二平行杠杆梁；所述第二耦合梁竖直设置，第二耦合梁的底端与第一耦合梁的底端连接，第二耦合梁的顶端与第二平行杠杆梁的连接端连接，所述第二平行杠杆梁的调节端延伸至电磁力平衡单元内，所述线圈与第二平行杠杆梁另一端的底面连接，所述光电位置传感器与第二平行杠杆梁另一端相对设置，所述支撑梁竖直设置，支撑梁连接在第二平行杠杆梁与底座之间，支撑梁位于第二平行杠杆梁连接端与其调节端之间。

8、进一步限定，所述电磁力平衡单元包括传感器座、磁钢体、线圈和光电位置传感器，所述传感器座包括传感器底座和与传感器底座顶部连接的磁钢端盖，所述磁钢端盖内侧顶部设置有两块相对设置的光电位置传感器安装板，所述光电位置传感器安装板与第二平行杠杆梁同向设置，所述第二平行杠杆梁上设置有光电传感器缝隙，所述光电传感器缝隙位于两个所述光电位置传感器安装板之间，所述光电位置传感器设置在任一光电位置传感器安装板上，所述光电位置传感器与光电传感器缝隙相对设置；传感器底座位于底座的另一端，所述磁钢体设置在传感器底座内，磁钢体与底座连接，所述线圈沿磁钢体的轴线设置在磁钢体内，所述线圈与杠杆单元调节端的底面连接。

9、一种微电磁力称重传感器动态温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

10、s1、通过对微电磁力称重传感器进行升温试验和降温试验，得到相同载荷时微电磁力称重传感器在不同温度下得到的示值差、温度差和零位电压差；

11、s2、根据步骤s1分别对在升温试验和降温试验时得到的示值差、温度差和零位电压差拟合得到示值曲线补偿值；

12、s3、确定温度传感器的测量范围以及温度传感器的分度值，在温度传感器的测量范围内按照其分度值逐次升温并进行一次载荷试验，得到不同温度对应的示值线性补偿值；

13、s4、对微电磁力称重传感器进行称重时得到的测量值根据示值曲线补偿值和示值线性补偿值补偿后得到最终称量结果并显示。

14、进一步限定，所述步骤s1包括以下步骤：

15、s11、将微电磁力称重传感器放置在高低温箱中，高低温箱温度设定为tmin，tmin为高低温箱最低温度，将高低温试验标准砝码置于微电磁力称重传感器上，完成微电磁力称重传感器升温试验校准，得到当前线圈平衡状态下的零位电压vh0、温度传感器测量值th0和示值显示单元的示值mh0；

16、s12、增加高低温箱温度至ti，随后将高低温试验标准砝码置于微电磁力称重传感器上，得到当前线圈平衡状态下的零位电压vhi、温度传感器测量值thi和示值显示单元的示值mhi，ti＝tmin+itrate，trate为温度变化量，i为第i次增加高低温箱温度；

17、根据δmi＝mhi-mh0、δti＝thi-th0和δvi＝vhi-vh0计算得到第i次增加高低温箱温度后微电磁力称重传感器的示值差δmi、温度差δti和零位电压差值δvi：

18、s13、判断ti是否小于高低温箱最高温度tmax，若是，则继续执行步骤s12，若否，则执行步骤s14；

19、s14、将微电磁力称重传感器放置在高低温箱中，高低温箱温度设定为tmax，将高低温试验标准砝码置于微电磁力称重传感器上，完成微电磁力称重传感器降温试验校准，得到当前线圈平衡状态下的零位电压vc0、温度传感器测量值tc0和示值显示单元的示值mc0；

20、s15、降低高低温箱温度至tn，随后将标准砝码加载在微电磁力称重传感器上，得到当前线圈平衡状态下的零位电压vcn、温度传感器测量值tcn和示值显示单元的示值mcn，tn＝tmax-ntrate，n为第n次降低高低温箱温度；

21、根据δmn＝mcn-mc0、δtn＝tcn-tc0和δvn＝vcn-vc0；计算得到第n次降低高低温箱温度后微电磁力称重传感器的示值差δmn、温度差δtn和零位电压差值δvn：

22、s16、判断tn是否大于高低温箱最低温度tmin，若是，则继续执行步骤s15，若否，则执行步骤s2。

23、进一步限定，所述步骤s2具体为：

24、根据升温试验得到的δmi、δti和δvi以及降温试验得到的δmn、δtn和δvn利用多元线性回归算法拟合得到微电磁力称重传感器的示值曲线补偿值δm：

25、δm＝b0+b1δt+b2δv+k

26、

27、t0＝tmax-tmin

28、其中，b0、b1和b2均为权重系数，k为温度细分常数，δt为实际温度与th0之间的差值，δv为实际零位电压与vh0之间的差值，δmh为升温试验中最大示值与最小示值的差值，δmc为降温试验中最大示值与最小示值的差值。

29、进一步限定，所述步骤s3包括以下步骤：

30、s31、将微电磁力称重传感器放置在高低温箱中，高低温箱温度设定为tmin，tmin为温度传感器的最低测量值，完成微电磁力称重传感器载荷试验温度校准；

31、s32、增加高低温箱温度至tx，通过微电磁力称重传感器分别对不同重量的标准砝码进行称重，得到当前温度差δtx时不同标准砝码对应的示值差

32、

33、δtx＝tx-tmin

34、tx＝tmin+xtrate

35、其中，x为第x次增加高低温箱温度，j为第j个标准砝码，gj为第j个标准砝码的重量，为高低温箱温度等于tx时称量第j个标准砝码的示值，tx为当前温度箱温度，trate为温度传感器的分度值；

36、s33、判断tx是否小于温度传感器的最高测量值tmax，若是，则继续执行步骤s32，若否，则执行步骤s34；

37、s34、根据不同温度进行载荷试验时得到的示值差计算得到温度传感器量程范围内每一个温度对应的的示值线性补偿值δmx：

38、δmx＝axmx+bx

39、其中，δmx为温度传感器温度等于tx时的示值线性补偿值，ax为温度传感器温度等于tx时的比例因子，bx为温度传感器温度等于tx时的偏移量，mx为温度传感器温度等于tx时微电磁力称重传感器的测量值。

40、进一步限定，所述步骤s4包括以下步骤：

41、s41、通过微电磁力称重传感器对待测载荷进行称重，得到微电磁力称重传感器的测量值ms、温度传感器的示值ts和线圈(300)的零位电压vs；

42、s42、根据实时的温度传感器示值ts匹配相同温度时示值线性补偿值计算公式得到实时线性补偿值δms；

43、s43、根据δm＝b0+b1δt+b2δv+k，δt＝ts-th0，δv＝vs-vh0得到实时示值曲线补偿值δm；

44、s44、根据m＝ms+δms+δm得到最终称量结果并通过示值显示单元显示。

45、本发明的有益效果：

46、1、本发明通过将传感器本体设计为一体式结构，一方面降低零部件数量，从而降低装配安装工艺难度与零部件之间的装配误差；另一方面使得整体结构材质统一，整体结构受到外界温度变化热胀冷缩效果一致，整体结构稳定性和可靠性增加，从而提高了测量精度，也保证了测量准确性与可靠性；同时通过温度补偿显示模块根据外界环境的实时温度对测量结果进行补偿后显示，避免因外界环境温度对称重结果的影响，进一步提高称重结果的准确性，适用范围更广，使用也更加稳定可靠。

47、2、本发明通过将传感器本体设计为一体式结构，加工可通过数控一体加工，降低人工组装带来的偏载误差，能够提高传感器的传力模型的对称性，使其在承载器的不同位置都能复现准确的称重数据。

48、3、本发明通过将传感器本体设计为一体式结构，传感器设置了双重限位，分别为第一平行杠杆梁限位和第二平行杠杆梁限位，能够在过重载荷和过大电流两个不同领域的量限输入进行限位保护。

49、4、本发明通过对微电磁力称重传感器在使用前进行多次试验得到不同温度下的示值曲线补偿值和示值线性补偿值，一方面能够根据示值曲线补偿值计算得到当前温度下的补偿值，提高称量精准度，另一方面根据示值线性补偿值匹配得到当前温度下的补偿值，既能够克服温度对微电磁力称重传感器整体结构影响造成的称重误差，也能够克服温度传感器自身误差对称重结果的影响。