該文文旨在利用磁懸浮技術(shù)，實現(xiàn)對輕量物件的較高精度稱重，并通過對原理及應(yīng)用做了詳盡的闡述和實驗，設(shè)計了一個吸式的磁懸浮式電子 秤。該文涵蓋茲懸浮電秤系統(tǒng)的設(shè)十方案，電磁線圏非繞性、系統(tǒng)的電磁力麵、系統(tǒng)的控制棚及控制電路的設(shè)計與調(diào)試。解決了磁懸浮電子秤設(shè)計 的幾個難點：電磁場的非線性問題、各種材料和部件的選取和機械加工及控制電路的設(shè)計與參數(shù)調(diào)試。該文的創(chuàng)新點有:⑴采用紅夕卜收發(fā)二極管設(shè)計 系統(tǒng)的距離傳感器，同時也使用攝像頭作為傳感裝置進行試驗;(2)創(chuàng)新圖像化反饋，采用_塊配合LabVIEW進行圖像化姻；(3)自行繞制電磁線圏， 采用最佳1j-50軟磁鎳鐵合金作為鐵芯。

1.緒論

1.1引言

電磁懸浮技術(shù)（electromagnetic levitation)簡稱EML技術(shù)。它的主要原 理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦 流來實現(xiàn)對金屬球的懸浮。

我們由此想到采用磁懸浮原理來制造 一種高精度的秤。我們稱它為"磁懸浮電子 秤”我們采用磁場吸引力來平衡被稱重物 體的重力。磁場受系統(tǒng)的控制，隨被稱重 物體的重量變化。然而磁場是受電流的大 小控制的，這樣我們就能通過電流的大小 來得到物體的重量。這種電子秤優(yōu)勢在于 沒有摩擦，也沒有形變，精度很高。

1.2自動控制系統(tǒng)

1.2.1自動控制設(shè)備 自動控制（automatic control) 是 指在沒有人直接參與的情況下，利用外加 的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使 機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的 某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按 照預(yù)定的規(guī)律運行。

1.2.2自動控制原理 原理分析：從控制的方式看，自動控制 系統(tǒng)有閉環(huán)和開環(huán)兩種。

閉環(huán)控制：閉環(huán)控制也就是（負）反 饋控制。傳感器檢測被控對象的狀態(tài)信息 (輸出量），并將其轉(zhuǎn)變成物理（電）信號 傳給控制裝置?？刂蒲b置比較被控對象當 前狀態(tài)（輸出量）對希望狀態(tài)（給定量）的 偏差，產(chǎn)生一個控制信號，通過執(zhí)行機構(gòu)驅(qū) 動被控對象運動，使其運動狀態(tài)接近希望 狀態(tài)。

開環(huán)控制：開環(huán)控制也叫程序控制，這是按照事先確定好的程序，依次發(fā)出信號 去控制對象。

1.2.3PID控制

P I D (比例（proportion)、 積分（integration)、微分 (differentiation)) [3]。PID控制器由 比例單元（P)、積分單元（I)和微分單元 (D)組成。其輸入e (t)與輸出u(t)的關(guān) 系為：

1.2.4應(yīng)用于本課題

設(shè)計目的是通過理論設(shè)計與實際操 作搭建一個可以工作的磁懸浮電子秤系 統(tǒng)?？刂品椒ㄒ源艖腋〖夹g(shù)為核心。借助 懸浮小球，平衡托盤上面重物的重力。選 擇合適的材料制作電磁線圈，鐵球和秤的 托盤。通過距離傳感器控制小球的懸浮位 置，電流傳感器用來控制磁場強度。

2.磁懸浮電子秤原理

2.1磁懸浮電子秤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖中，電磁鐵表示通過磁感應(yīng)線圈產(chǎn) 生磁力的裝置，圓圈代表被吸附的鐵球，重 物表示要稱取的物體（不論物體是否是鐵 磁性物質(zhì)），根據(jù)牛頓力學(xué)定理要保持整 個系統(tǒng)平衡必須保證F = Mg,其中，F為電 磁線圈電流產(chǎn)生的電磁力，Mg為鐵球、托 盤、拉線及被測重物的總重力。為了得到一 個穩(wěn)定的平衡系統(tǒng)，必須實現(xiàn)閉環(huán)控制，使 整個系統(tǒng)穩(wěn)定具有一定的抗干擾能力。本 系統(tǒng)中采用紅外距離傳感器檢測鐵球與電 磁鐵之間距離的變化。

2.2電磁線圈制作

通過上述流程我們可以知道，控制電 壓經(jīng)過功率放大器產(chǎn)生較大的電流，經(jīng)過 磁感線圈產(chǎn)生較強的磁場，從而將鐵磁性 物體吸起，通過測量電壓或者是電流的大 小就可以轉(zhuǎn)化為被測重物的質(zhì)量。我們自 己繞制了電磁線圈，采用1-J50軟磁鎳鐵 合金，軟磁性尤佳，適宜做磁懸浮鐵芯。并 采用了直徑0.51 mm的漆包線自己進行繞 制，圈數(shù)為2050圈，總阻值約為20歐姆， 鐵芯直徑為50 mm,實際使用中效果較理 想。

2.3電傳感器選取及測試

2.3.1紅外距離傳感器GP2D12 GP2D12是一款Sharp公司生產(chǎn)的紅 外線測距傳感器，其技術(shù)參數(shù)如下：

⑴測量射程范圍：0 cm to 80 cm ；

最大允許角度：大于40° ；

電源電壓：4.5 V to 5.5 V ；

⑷平均功耗：35 mA ；

峰值功耗：約200 mA ；

更新頻率/周期：20 Hz/40 ms ；

模擬輸出噪聲：小于200 mV；

測量距離與輸出模擬電壓關(guān)系： 2.4~0.4V模擬信號對應(yīng)10?80 cm。

其外部圖像如圖5。

電源電壓+ 5 V，在溫度為25 °時測 得其距離與輸出電壓關(guān)系如圖6。

將該傳感器應(yīng)用在磁懸浮電磁秤項目上的原理為：將傳感器置于小球的下方，觀 測小球與傳感器之間的距離，從而獲取小 球高度。該方法簡單易行，器材在網(wǎng)上容易 尋找，可以在項目中嘗試，但是缺點是距離 與電壓輸出關(guān)系不是線性關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng) 非線性性質(zhì)更加嚴重，且其數(shù)據(jù)更新周期 為40 ms，對于磁懸浮控制而言太長，所以 不米用該方案。

2.3.2紅外線發(fā)射接收測距傳感器電路

因為方案2.3.1采樣周期的問題導(dǎo)致系 統(tǒng)離散化嚴重，穩(wěn)定性遭受破壞，所以自己 用模擬電路搭建距離傳感器。該傳感器由 發(fā)射和接收兩個模塊組成，發(fā)射模塊如圖7 所示。

其工作原理：在共射極放大電路中， 紅外發(fā)光二極管與NPN三極管的集電極相 接，與基極和發(fā)射極相接的二極管D1起溫 度補償作用，控制管腳通過電阻R3與Q2相 連，當給控制管腳高電平時，電路導(dǎo)通，紅 外發(fā)射管發(fā)出紅外光。

接受模塊如圖8所示。

其工作原理為：在紅外發(fā)射管發(fā)射出 的紅光遇到物體之后反射，由接收管D2接 收，此時接收管會產(chǎn)生一個與光強相關(guān)的 電流，經(jīng)過兩級放大器電路放大之后在輸 出端可以得到一個電壓，通過AD采集到單 片機內(nèi)部便可以得到當前光強信息，此時 電壓與光強就可以有相對應(yīng)的關(guān)系了，選取 與光強線性關(guān)系比較好的接收管可以使檢 測系統(tǒng)的性能得到更好的提高。這個方案 十分具有可靠性，可以采用，但是需要解決 單片機采樣速率的問題。

2.3.3攝像頭圖像識別傳感器

考慮到近年圖像識別方向的進展，使 用攝像頭作為傳感器越來越流行，這里使 用攝像頭做傳感器的原理圖如圖9 ：

將背景用白色紙板擋住，小球涂裝成 黑色，攝像頭裝置在正對紙板的地方就構(gòu) 成了簡單的傳感器部分，實物圖見圖9。通 過對攝像頭采集回來的圖像進行二值化處 理并檢測黑色區(qū)域的重心便可以得到小球 的高度 中控室斗輪機電子秤值可視化實現(xiàn)
磁懸浮電子秤的研究