精密电磁力平衡传感器设计

要 精密电磁力平衡传感器作为一种高精度测力传感器，广泛应用于各种精密称量仪器中，随着精密称量行业的蓬勃发展，其需求量也在逐年增加。目前国内生产的精密电磁力平衡传感器主要依据国外传感器仿制而成，但这种方法缺少一套完整的结构设计、材料选用以及磁路分析理论方法，会带来测量及工艺误差等问题，造成传感器性能降低，甚至达不到技术要求。严重制约了精密电磁力平衡传感器的发展，满足不了国内的市场需求。 为进一步提升精密电磁力平衡传感器的性能，本文应用机械结构和磁路优化理论，选用高性能铝合金、铍青铜及铝镍钴等敏感材料，构建一个精度高、稳定性好的机械和磁路系统，完成精密电磁力平衡传感器设计。 全文共分为六部分：首先，简要介绍国内外精密电磁力平衡传感器的发展状况，阐述其结构型式和永磁体材料的研究现状与发展趋势，探讨温漂和时漂的产生机理，指出本课题研究的意义以及本文工作的重点；其次，介绍精密电磁力平衡传感器的结构和工作原理，重点分析精密电磁力平衡传感器的静态、动态特性以及力学模型，给出精密电磁力平衡传感器的设计方案和技术指标；再次，详述线圈设计的制约条件，采用建模分析方法设计精密电磁力平衡传感器的簧片、横梁和线圈组件结构；然后，介绍精密电磁力平衡传感器磁钢磁路的结构型式，设计磁钢的机械结构，建立磁钢磁路的理论模型，采用磁导法、有限元法分析并仿真磁钢磁路，依据仿真结果优化磁钢结构；接下来，介绍精密电磁力平衡传感器敏感材料的选用方法，详述几种常用的簧片、永磁体材料性能参数及材料特性，给出 料的加工工艺；最后，给出本文设计的精密电磁力平衡传感器在电子天平中的应用，介绍电子分析天平的技术指标，结合检定规程 ，在室温的条件下，检验电子分析天平 的偏载误差、重复性、示值误差等性能指标，给出电子天平的检验结果，分析精密电磁力平衡传感器的系统误差。 本文设计的精密电磁力平衡传感器应用在电子天平中，实际检验结果和运行情况表明，系统工作可靠，各项性能指标均优于检定规程中的标准，可以很好地在室温条件下实现量程 220g、感量 准确分辨率。 关键词：电磁力平衡传感器；簧片；横梁；磁钢；敏感材料；磁路设计；有限元仿真 is in a of As is by of on of a of of as a of to of In to of an on A is In to of of of is of is of is to As of of of It to is of of of of in is in to of is to 1 at of IV of 20g, as as V 目 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 . 要 . . 1 章 绪 论 . 1 题背景 . 1 内外精密电磁力平衡传感器研究现状 . 1 密电磁力平衡传感器结构型式 . 2 密电磁力平衡传感器永磁体材料 . 4 磁力平衡传感器温漂和时漂 . 7 题研究的来源及意义 . 10 文主要的研究内容 . 10 第 2 章 精密电磁力平衡传感器系统分析 . 12 密电磁力平衡传感器的结构和工作原理 . 12 密电磁力平衡传感器特性分析 . 13 态特性 . 13 态特性 . 14 统力学模型 . 14 密电磁力平衡传感器设计方案 . 18 统设计框图 . 18 术指标 . 18 第 3 章 精密电磁力平衡传感器结构设计 . 20 片设计 . 20 片力学模型建立 . 20 片参数确定 . 21 圈组件设计 . 22 圈设计的制约条件 . 22 圈及其骨架设计 . 23 梁设计 . 25 梁力学模型建立 . 25 梁参数确定 . 26 第 4 章 精密电磁力平衡传感器磁路设计 . 28 钢机械结构设计 . 28 路结构型式设计 . 28 路结构初始参数确立 . 30 钢磁路理论分析 . 32 钢磁路模型建立 . 32 钢磁路等效电路分析 . 32 钢磁路磁导计算 . 33 钢磁路有限元仿真 . 36 于 电磁力平衡传感器有限元模型建立 . 36 定边界条件 . 37 路有限元仿真实验 . 37 钢磁路优化 . 43 钢优化结果 . 43 钢优化磁路计算 . 43 钢优化磁路验证 . 44 第 5 章 精密电磁力平衡传感器敏感材料选用 . 45 片材料 . 45 料特性 . 45 料特性 . 45 片材料选用与加工工艺 . 47 磁体材料 . 49 磁体材料主要参数 . 49 用永磁体材料 . 50 磁体材料选用与加工工艺 . 52 第 6 章 精密电磁力平衡传感器的应用与结果分析 . 55 密电磁力平衡传感器在电子分析天平中的应用 . 55 子分析天平系统构成原理 . 55 子分析天平性能参数及技术指标 . 56 子分析天平的性能检验 . 58 密电磁力平衡传感器系统结果分析 . 61 密电磁力平衡传感器开环系统误差 . 61 密电磁力平衡传感器闭环系统误差 . 62 结 论 . 64 参考文献 . 66 致 谢 . 69 录 A 攻读学位期间所发表的学术论文 . 70 附录 B 精密电磁力平衡传感器实物图 . 71 附录 C 电子分析天平实物图 . 72 1 第 1章 绪 论 精密电磁力平衡传感器作为一种高精度测 力传感器，广泛应用于各种精密称量仪器中。本章比较分析国内外精密电磁 力平衡传感器发展的状况，较为全面地阐述精密电磁力平衡传感器结构型式和永 磁体材料的研究现状与发展趋势，以及温度对电磁力平衡传感器的影响，指出本 课题研究的内容、意义以及本文工作的重点。 题背景 随着科学技术的发展，传感器设计技术、 敏感材料性能及生产工艺水平不断提高，精密电磁力平衡传感器的性能指标 也在不断地提升，相对精度可以达到数百万分之一（有些甚至可以达到数千万分之一） ，其最原始的电磁力直接驱动的结构型式也在逐渐消失，朝着单级杠杆、多级杠 杆以及目前最先进的单模块结构（ 向发展1 国外的传感器技术及工艺水平已经十分成 熟，可以生产出单模块结构的电磁力平衡传感器。国内的传感器技术则停留 在上世纪七八十年代的水平，生产的传感器主要依据国外的电磁力平衡传感器仿 制而成。整个传感器由磁钢、基座、簧片和平行支架等部分组装而成。由于传感 器参数的测量误差以及材料和加工水平的差异，国内传感器虽然可以做到与国外 电磁力平衡传感器外型上一致，但性能则远远达不到国外水平。 此外，国内生产的电磁力平衡传感器内部 结构复杂、部件连接件多、装配复杂、技术含量低、研发水平不高、工艺水 平低等，这些根本问题还未得到有效解决，尤其是缺少一套完整的结构设计、材 料选用以及磁路设计分析理论。国内传感器设计技术仅仅停留在仿制水平上，并 未吸收国外传感器设计的精髓，这样大大制约了精密电磁力平衡传感器以及国内 电子天平行业的发展，满足不了国内的市场需求，制约了社会经济的发展3 内外精密电磁力平衡传感器研究现状 国外在电磁力平衡传感器的研制和生产上，日本、 德国、瑞士等国起步较早。早在 20 世纪 80 年代初期， 这些国家就拥有大批量生产 电磁力平衡传感器的能力。目前这些先进工业国家电磁力平衡传感器 技术处于国际先进水平，电磁力平衡传感器的产量占全世界电子天平产量的很大一部分3,6,7。 2 密电磁力平衡传感器结构型式 精密电磁力平衡传感器作为高精度电子分析天平中的精密测力部件，其相对精度可达到数百万（有些甚至可达数千万）分之一1,3。在如此高精度的传感器系统中，其原理和结构型式设计的合理性尤为重要。精密电磁力平衡传感器的工作原理框图如图 示。 图 密电磁力平衡传感器工作原理框图 称盘加载重物前，吊簧的拉力与称盘、立柱、线圈、遮光片等传感器可动部分的重力相当，精密电磁力平衡 传感器处于初始平衡状态，发光管 敏管 A。 称盘加载重物后，称重物的质量 m 使精密电磁力平衡传感器的初始平衡被打破，可动部分发生微小移动。遮 光片位置变动后使光敏二极管 1发出的光，产生微弱的电流信号输 出，该小信号经后续的 I/V 转换电路及路，转化为与被称量质量 m 成正比的电流 I 并流经线圈。载流线圈在工作气隙磁场的作用下，产生向上的电磁力 F，使精密电磁力平衡传感器的可动部分朝向平衡方向移动。遮光片移动后，光敏二极管 出电流降低。线圈的电流 I 随着 分环节一直增大，直至精密电磁力平衡传感器可动部分重新回到平衡位置，发光管 敏二极管 A。此时，线圈电流 I 在工作气隙磁场下产生的电磁力 F 与加载重物的重力相当，精 密电磁力平衡传感器处于平衡状态2,3,8。则有 IL （ 式中， L 为载流动圈的导线有效长度； I 为流经载流线圈的电流； g 为重力加速度。 由式（ （ 式（ 为精密电磁力平衡传感器的质 量称量输出特性。当重力加速度 g、气隙磁感应强度 流线圈导线有效长度 L 一定时，通过测量线圈电流，即可间接测量出加载重物的质量。 3 精密电磁力平衡传感器结构型式在不断发展中，从最开始的电磁力直接驱动式，发展到单级杠杆式，以及近年来的多级杠杆结构。 20 世纪九十年代初，单模块传感器技术的出现使精密电磁力平衡传感器技术发生了革命性的变化，该项技术率先被瑞士梅特勒 梅特勒 精密电磁力平衡传感器均采用单模块结构。之后，该种结构型式被德国赛多利斯集团成功应用在其生产的精密电磁力平衡传感器中，其中一款如图 示。单模块结构的精密电磁力平衡传感器在称量精度上达到了微量甚至超微量的称量水平。单模块技术的成功应用，使德国赛多利斯集团以及瑞士梅特勒 图 模块精密电磁力平衡传感器 单模块传感器（ 由高强度的航空铝合金材料，经过最先进的高精度电火花线切割机加工而成。它将精密 电磁力平衡传感器中的杠杆、平行支架、基座以及簧片等集于一体，使零 部件和运动零件的数量减小了 50%以上。单模块传感器具有以下优点1,3,9： （ 1） 稳定性好 二维结构是单模块传感器与传统精密电磁力平 衡传感器之间的不同之处。这种结构能防止应力和扭力作用于机械零件上。在天平上施加较重的负荷后，仍可以得到极其高的测量精度。 （ 2） 过载性能好 单模块精密电磁力平衡传感器的整个结构是从 单个铝合金工件用电火花腐蚀法制成的。 通过高强度合金材料及创新的电火花线切割 （电线 工艺的使用，单模块传感器的服务寿命得到延 长的同时坚固性也有很大提高。 （ 3） 缩短研制周期，便于维修 4 传统精密电磁力平衡传感器的研制周期约 812 周，而采用单模块精密电磁力平衡传感器技术后，时间可缩短为原来的 1/10。而且单模块传感器零部件数量少，更换方便，可使维修成本得到大幅度的降低。 单模块精密电磁力平衡传感器技术的出现与成功应用，对整个传感器行业工艺技术起着里程碑式的作用。同时也预示着精密电磁力平衡传感器行业具有巨大发展空间和优势，也将决定其未来的一个发展方向，为国内精密电磁力平衡传感器及相关工艺技术的发展提供了一个思路。 图 统精密电磁力平衡传感器 国内精密电磁力平衡传感器还是传统的结 构型式，其技术处于 20 世纪中、后期的水平，其中一款的结构如图 示。它由磁钢、基座、簧片和平行支架等部分组装而成， 装配水平的差别以及零件加工误差使 产品的一致性很难得到保证。此外，由于参数的测量误差以及材料和加工水平的差异，国内精密电磁力平衡传感器虽然可以做到与国外传感器外型上一 致，但远远达不到国外产品的性能。 密电磁力平衡传感器永磁体材料 永磁体材料具有宽磁滞回线、高的矫顽力和剩磁特性，磁化后仍可以保持恒定磁性，又称硬磁材料10,14。在精密电磁力平衡传感器中，永磁体材料是磁路的关键组成部分，它主要用来在磁 路的工作气隙处产生一个恒稳磁场。 从永磁体材料发展的历史来看10,14： 十九世纪末期常用的碳钢， 其磁能积 （符号为 (BH)来表示永磁体储存磁能密度的大小）不到 1高奥） ，而目前已经在国外得到大批量生产的永磁体材料 磁能积为 (BH)0一个世纪以来，随着对矫顽力本质认识的加深、高磁晶各向异性化合物的发现和制备工艺技术的发展， 矫顽力 永磁体材料的剩磁 十世纪初，人们主要使用碳钢、铬钢、钴钢等作为永磁体材料。二十世纪三十年代末， 磁体材料研发成功，使得永磁体材料的大规模应用成为可能。到五十年代，钡铁氧体的出现，在降低了永磁体成本的同时又将永磁体材料的应用范围拓宽到高频领域。到 5 六十年代，稀土钴永磁的研制成功， 为永磁体的应用开辟了一个新时代。 1967 年，美国 学的 ，用粉末粘结法成功地制成 磁体，标志着稀土永磁时代的到来。迄今为止，稀土永磁已经历第一代 二代沉淀硬化型 70 年代出现的以 o,e,（ Z=68）为代表的 2： 17 型钐 其采用一种新的制备粘结永磁体技术后， 性能得到了很大提高10 ，发展到 80 年代初出现的第三代 磁材料。此外，在历史上被用作永磁体材料的还有 些合金由于性价比不 高，在大多数场合已很少采用10一些永磁体材料的代表性成分及磁性能如表 示16,17。 表 磁体材料的成分与性能 类型 型号 代表性成分 磁性能 (kA/m) (BH)m/ (kJ/ 铁氧体 永磁体材料 子式） 子式） 50350 2536 450 黏结铁氧体 铝镍钴 永磁体材料 8%12%15%22%24%3%6%余 量分数） 060 956 890 7%8%14%15%4%36%5%8%4%余 量分数）10160 4060 860 稀 土 永 磁 体 材 料 稀土钴系永磁体材料 1:5型 2%63%38%37%1001540 117179 720 2:17 m(00600 230240 800 黏结 m(001400 160204 810 稀土铁系永磁体材料 烧结 e,M)余 002400 240400 310510黏结 3()余 002100 56160 310 2:17与 1:12型间隙化合 d(o)12e,M)002000 56160 310600纳米复合型 40640 80160 - 热变形永磁 磁等 401100 240360 - 其他 永磁体材料 33e 0060016e 060 - 7678t 20400 4050 52053078e 40 154 - 6 从表 以看出，永磁体材料主要分两大类： 铁氧体永磁体材料和合金永磁体材料。合金永磁体材料包括铝镍钴永 磁体材料、稀土永磁体材料等。 铁氧体永磁体材料是一种具有单 轴各向异性的六角结构的化合物， 主要是钡、锶、铅三种铁氧体及其复合的固溶体，有同性磁和异性磁之分。它在外界磁化场消失以后，能够长久地保留较强的恒定剩 磁，常用于对外部空间产生恒稳的磁场。铁氧体永磁的矫顽力 常介于铝镍钴合金材料和稀 土钴永磁体材料之间，比较适合用在有强退磁场的条件下。其电阻率比金属磁性材料高出许多，也经常用在高频场合。铁氧体材料具有重量轻，原材料来源丰富，耐氧化腐蚀，价格便宜等一些优点，但它的剩磁 碎，温度系数不好，不适用于环境温度变化大以及对温度稳定性要求高的场合18。 铝镍钴（ 最早开发出来的一种永磁体材料，是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。根据 生产工艺不同分为烧结铝镍钴（ 铸造铝镍钴（ 。采用铸造工艺可以得到各种不同形状、尺寸的永磁体；采用烧结工艺生产的铝镍钴永磁体，其毛坯尺寸公差及可加工性均优于铸造工艺的， 但磁性能不如铸造工艺的好且仅能用于小尺寸产品。在永磁体材料中，铸造铝镍钴永磁体的可逆温度系数是最小的，工作温度可高达600以上。铝镍钴系磁铁的优点是剩磁高（最高可达 、温度系数低。温度系数为 ，而最高使用温度可达 520左右。缺点是矫顽力低（通常小于 160kA/m） ，退磁曲线非线性18。具有代表性的一些永磁体材料的性能、所用原料及相对价格如表 示16,20。 表 代表性的永磁体材料的性能与相对价格 永磁体 (kA/m) (BH)m/(kJ/(20100) 密度/g/工作温度T/原材料 12 80 B 中下2:17型 20 350 o,e, 1:5型 40 250 o 高 铁氧体 50 - 00 500 i,u 中、 高50 120 o,o 中、 高 - - - e 高 验 ) 20 60 l,C 中、 高品 ) 20 60 l,C 中、 高稀土永磁体材料是近年来迅速发展起来的一种材料，主要有稀土钴系永磁体材料和稀土铁系永磁体材料。稀土永磁材料的磁性能受组成成分影响较大（比如 7 1:5 型 2:17 型 种稀土永磁体材料磁性能有很大差异） ，与加工过程中磁体微型态及微化学反应也有很大关系19。具有很高的矫顽力 H，它的退磁曲线基本上是一条直线，其 斜率接近回复磁导率，退磁曲线与回复曲线近似重合，因此工作点的磁能积并不受干扰磁场的影响。与其它材料相比，稀土永磁体材料的价格一般偏高。 密电磁力平衡传感器温漂和时漂 精密电磁力平衡传感器精度高，容易受到温度波动及其内部过流元件发热的影响，同样其磁感应强度也会随着时间而减弱，使输出特性发生变化，温度、时间漂移成了影响精密电磁力平衡 传感器计量精度的主要因素2,3,8,21。 温度漂移产生的机理主要是精密电磁力平衡传感器内过流电子元件（通电线圈）的发热和工作环境温度的变化。时漂产生的机理主要是精密电磁力平衡传感器内的元件参数及永磁体磁感应强度随时间在发生变化。温漂和时漂主要是来自精密电磁力平衡传感器内部自身的影响和工作环境温度的影响，其表现均为精密电磁力平衡传感器秤盘上加载物重量不变，而输出却发生缓慢的变化。因此，温度、时间漂移形成的机理不同， 从表现形式上也很难区分3,8。 （ 1） 温度漂移的产生机理 影响精密电磁力平衡传感器温度稳定的因 素有内部（载流线圈发热）和外部（工作环境温度的波动）两方面。温度发生波动后，会造成永磁体参数（磁感应强度 载流线圈参数（线圈电阻导线长度 L 等）发生变化，从而影响精密电磁力平衡传感器的输出特性5,22 精密电磁力平衡传感器工作的主要误差来源是温度和重力加速度 g。温度的波动和精密电磁力平衡传感器内部过流电子元件（通电线圈）的发热对工作气隙处磁感应强度 圈电阻 等参数有很大的影响，由式（ 知， L、 I 的改变会对影响称量输出结果的准确度2,3,23。 工作气隙磁感应强度 永磁体材料的磁 性能（主要是磁感应强度温度波动影响而发生改变引起的。 温度发生变化时，永磁体材料磁感应强度 ,30(1 )= + B （ 式中， T 为温度；永磁体磁的温度系数； 时的永磁体磁感应强度；时的永磁体磁感应强度。 温度为 T时，永磁体磁感应强度及其在此温度点温度波动 T 时的变化量 B 可进一步表示为 + 0（）+= = mT m （ 8 设工作气隙磁感应强度 k，有 （ 温度波动 T 时，永磁体磁感应强度变化 B ，由此引起的精密电磁力平衡传感器输出误差 011 =Bg 载流动圈导线长度随温度变化为2,3,250(1 )= + 式中，导线的线膨胀系数； T 为温度； T时的导线长度；0L 为 0时的导线长度。 由式（ ，在 T的外界温度下，温度波动 T 时，引起的误差 L 和载流动圈导线长度别为 （ 0+= = L T （ 温度波动 T 时，载流动圈导线长度 L 变化 L ，由此引起的精密电磁力平衡传感器输出误差 011 = 式中， 时的工作气隙磁感应强度。 载流动圈电阻温度变化为2,30(1 )= +R （ 式中，载流动圈导线电阻温度系数； T时的载流动圈导线电阻；0R 为 0时的载流动圈导线电阻。 载流动圈电阻温度为 T 时，阻值 （ 载流动圈电阻在温度 T 附近发生温度变化 T 时，引起的误差 0 =T （ 温度波动 T 时，载流动圈电阻变化 由此引起的精密电磁力平衡传感器输出误差 1