該文文旨在利用磁懸浮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輕量物件的較高精度稱重，并通過對(duì)原理及應(yīng)用做了詳盡的闡述和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jì)與調(diào)試。解決了磁懸浮電子秤設(shè)計(jì) 的幾個(gè)難點(diǎn)：電磁場的非線性問題、各種材料和部件的選取和機(jī)械加工及控制電路的設(shè)計(jì)與參數(shù)調(diào)試。該文的創(chuàng)新點(diǎn)有:⑴采用紅夕卜收發(fā)二極管設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的距離傳感器，同時(shí)也使用攝像頭作為傳感裝置進(jìn)行試驗(yàn);(2)創(chuàng)新圖像化反饋，采用_塊配合LabVIEW進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)控制系統(tǒng)

1.2.1自動(dòng)控制設(shè)備 自動(dòng)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(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對(duì)象）的 某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動(dòng)地按 照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

1.2.2自動(dòng)控制原理 原理分析：從控制的方式看，自動(dòng)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(fù)）反 饋控制。傳感器檢測被控對(duì)象的狀態(tài)信息 (輸出量），并將其轉(zhuǎn)變成物理（電）信號(hào) 傳給控制裝置?？刂蒲b置比較被控對(duì)象當(dāng) 前狀態(tài)（輸出量）對(duì)希望狀態(tài)（給定量）的 偏差，產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū) 動(dòng)被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)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(hào) 去控制對(duì)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(jì)目的是通過理論設(shè)計(jì)與實(shí)際操 作搭建一個(gè)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(qiáng)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(gè)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(gè)穩(wěn)定的平衡系統(tǒng)，必須實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使 整個(gè)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(qiáng)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(jìn)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(shí)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(hào)對(duì)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(shí)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(xiàng)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(xiàng)目中嘗試，但是缺點(diǎn)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(yán)重，且其數(shù)據(jù)更新周期 為40 ms，對(duì)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?yàn)榉桨?/span>2.3.1采樣周期的問題導(dǎo)致系 統(tǒng)離散化嚴(yán)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(gè)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(bǔ)償作用，控制管腳通過電阻R3與Q2相 連，當(dāng)給控制管腳高電平時(shí)，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(shí)接收管會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相關(guān)的 電流，經(jīng)過兩級(jí)放大器電路放大之后在輸 出端可以得到一個(gè)電壓，通過AD采集到單 片機(jī)內(nèi)部便可以得到當(dāng)前光強(qiáng)信息，此時(shí) 電壓與光強(qiáng)就可以有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系了，選取 與光強(qiáng)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(gè)方案 十分具有可靠性，可以采用，但是需要解決 單片機(jī)采樣速率的問題。

2.3.3攝像頭圖像識(shí)別傳感器

考慮到近年圖像識(shí)別方向的進(jìn)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(duì)紙板的地方就構(gòu) 成了簡單的傳感器部分，實(shí)物圖見圖9。通 過對(duì)攝像頭采集回來的圖像進(jìn)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(jī)電子秤值可視化實(shí)現(xiàn)
磁懸浮電子秤的研究