可用于地磅質檢的電磁砝碼設計方案

本文設計了一種電磁砝碼 ，由 ＮＵＣ１４０、螺管式電磁鐵構成，替代標準砝碼。微控制器產生 ＰＷＭ 信號，通過外圍電路放大后驅動電磁鐵產生電磁力，不同的ＰＷＭ 信號可以模擬出不同質量的砝碼。電磁砝碼可安裝于地磅內部，實現高效、方便、自動化的質檢。

引 言

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

１.地磅的特性

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

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、示數系統組成，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構支撐，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化為電流值，通過示數系統轉化為質量示數并顯示在示數牌上。

商用電子秤中采用的重力傳感器一般是電阻應變式重力傳感器，由彈性體、電阻應變片、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。

了能夠根據這種微小的形變量推算出物體的質量，首先需要放大形變量，然后再將形變轉化為示數。電阻應變式傳感器是用金屬電阻應變片將彈性體的形變量轉化為電阻，金屬應變片在受到外力拉伸時，電阻會發生改變。常用的金屬應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。通過轉換電路就能得出電阻的變化量，根據電阻變化量可以推算出物品的重力 Ｇ，物品質量 ｍ＝Ｇ／ｇ。

綜上所述，電子秤稱重是通過重力傳感器實現的，而重力傳感器頂部是彈性體，彈性體貼有電阻應變片，內部中空，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，只有彈性體發生微小形變，電子秤托盤幾乎不會發生位移。

２ 電磁砝碼設計

電磁砝碼的設計思路是根據電子秤的基本稱重原理，在電子秤內部安裝一個電磁鐵，通過電磁鐵對托盤（托盤下方會連接鐵質材料）產生向下的電磁力，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量的砝碼，大大簡化了控制電路的設計，降低了成本。

２．１ 電磁鐵選型

電磁鐵是通電產生磁性的一種裝置，在鐵芯的外部纏繞線圈，通電后線圈會產生磁場，將線圈內部的鐵芯磁化，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）三部分構成。電磁鐵的基本結構有３種，如圖４所示。

根據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、銜鐵內部磁通密度有關，吸合面積越大，吸引力越大；銜鐵內部磁通密度越大，吸引力越大。

每一種電磁鐵結構都有其獨特的優點，本文中電磁砝碼選擇電磁鐵結構時，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構的前提下，自然要求電磁砝碼越小越好。從

吸引力角度考慮，馬蹄形結構和螺管式都可以，但是馬蹄形結構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，選擇螺管式結構。

２．２ 螺管式電磁鐵

一般的直流螺管式結構電磁鐵由鐵芯、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。螺管式結構受到的電磁力有兩個：一個力是線圈主磁通產生的，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。工作氣隙一旦產生，線圈產生的部分磁感線會泄露到工作氣隙中，產生漏磁。這部分漏磁也會對鐵芯產生電磁力，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，對于這種結構，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 電磁砝碼結構

電磁砝碼是由螺管式電磁鐵、銅軸、連接桿共同構成的，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成的系統中，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量為Ｆ１／ｇ的砝碼，重力傳感器的電阻值將會變化 Ｒ，質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 會通過電子秤內部轉換電路轉化為示數 Ｘ，Ｘ＝ｋ×Ｒ＋ｐ（ｋ是比例系數， 是人工設定的值）。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，控制系統中設置參數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 Ｘ＝ｋ×Ｒ０＋ｐ將不再為零。為了讀數方便，需要重新設置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，線圈需要的驅動電壓較大，不能由微控制器直接提供，需要外接一個穩壓電源 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。通過調節 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.電磁砝碼質量控制

假設電磁砝碼Ａ，在電流Ｉ的作用下產生了電磁力Ｆ，對于標準砝碼 Ｍ（質量為 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量，在不引起歧義的情況下，簡稱為電磁砝碼質量。

在質檢過程中，往往需要檢測不同質量下電子秤是否都能夠準確測量，所以需要根據實際情況調節電磁砝碼質量，由電磁砝碼吸引力公式可知，電磁砝碼的質量為：

在電磁砝碼規格確定的情況下，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格為線圈匝數 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；鐵芯進入線圈內部的長度ｘ為０．０４８ｍ；線圈半徑ｙ為０．００５ｍ。

那么電磁砝碼質量 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 的銅質漆包線，導線中最大可通電電流為２．３６Ａ。安全起見，設定電磁砝碼有效工作電流大小為０～２Ａ，電磁砝碼的質量可以在０～１８．２４２８ｋｇ之間調整。

電磁砝碼的質量由通過電磁砝碼的電流Ｉ控制，Ｉ由驅動電路的平均驅動電壓決定，平均驅動電壓由驅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。電磁砝碼質量控制流程如圖８所示。

控制流程中最關鍵的部分是如何根據需要的質量查找對應的ＰＷＭ 數值，使得電磁砝碼質量符合需要。在本文的電磁砝碼規格下，電磁砝碼質量 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，要達到最大質量范圍，需要施加的電壓是４．２Ｖ，為了留有調整空間，設定最大電壓為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果，但是本文使用的電磁力公式只是經驗公式，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 值只能作為參考數值，需要在電磁砝碼安裝后進行校準。電磁砝碼質量的校準以表 中ＰＷＭ 為初始值，在初始值±１００００內查找實際ＰＷＭ 值，采用二分查找法，校準流程圖略———編者注。

校準算法根據電子秤示數判斷實際ＰＷＭ 值所在區間，區間大小設為１００００，電子秤靈敏度為１ｇ，則最小ＰＷＭ 變化應該是４０６，本文中取４００，將區間劃分為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 語

本文設計的電磁砝碼以螺管式電磁鐵為主體，安裝在電子秤的內部，使用微控制器及驅動電路控制電磁砝碼，可以產生任意大小的吸引力，替代傳統砝碼。能夠在電子秤空閑時間進行開展質檢，不影響商家正常工作，并且實現了完全的自動化質檢，不需要人工干預，測得數據通過物聯網傳送至后臺。

經過試驗，在施加特定的驅動電壓后，電磁砝碼確實能夠在微控制器的控制下產生電子秤量程范圍內的任意吸引

力，測試范圍、測試效率都優于傳統人工放置砝碼的方式。