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空心互感式測(cè)微電子秤論文
空心互感式測(cè)微電子秤是采用非常簡單的物理原理，利用電磁互感現(xiàn)象制成的小型集成化的電子精細(xì)測(cè)量儀器。其核心的測(cè)量機(jī)制便是電磁互感現(xiàn)象，并通過信號(hào)發(fā)生器模塊產(chǎn)生磁場(chǎng)激發(fā)信號(hào)，Arduino硬件對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、處理、分析、計(jì)算，進(jìn)而將由微小重量所引起的微小位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯蟮碾娦盘?hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小變化的精細(xì)測(cè)量。除測(cè)量具有高精度的特點(diǎn)外，信號(hào)發(fā)生模塊和Arduino芯片的使用也保證了空心互感式測(cè)微電子秤集成化的實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)了攜帶方便的特點(diǎn)。
1 儀器模型
如果有兩只線圈互相靠近，則其中第一只線圈中電流所產(chǎn)生的磁通有一部分與第二只線圈相環(huán)鏈。當(dāng)?shù)谝恢痪�圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，則其與第二只線圈環(huán)鏈的磁通也會(huì)發(fā)生變化，從而在第二只線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并且能夠測(cè)量到相應(yīng)的感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象就叫做互感現(xiàn)象�？招幕ジ惺綔y(cè)微電子秤便是基于這一簡單原理制成的�？招幕ジ惺綔y(cè)微電子秤主體部分為三個(gè)參數(shù)相同的同心軸線圈和軸心處的磁芯。中間的線圈接入信號(hào)發(fā)生模塊電流振蕩產(chǎn)生磁場(chǎng);而其余兩個(gè)線圈并不通電。將兩個(gè)線圈的端口分別接入Arduino芯片的兩個(gè)輸入端口測(cè)量其感應(yīng)電流峰值的大小。重量所引起的微小位移量轉(zhuǎn)變?yōu)榇判镜奈⑿∥灰屏�，互感現(xiàn)象使電信號(hào)對(duì)此微小量進(jìn)行首次放大，而兩個(gè)線圈的設(shè)計(jì)采用則可以將信號(hào)進(jìn)一步擴(kuò)大：預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)我們采取兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電流峰值之差為因變量，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，為了更好地體現(xiàn)相位的改變等特點(diǎn)我們改為峰值之比為因變量。峰值之差只能確定位移的大小，但是峰值之比不僅僅可以確定位移的大小，還可以獲取位移的方向特性。以上便是空心互感式測(cè)微電子秤基本思路和大致模型。
2 儀器精細(xì)
確定空心互感式測(cè)微電子秤主體部分后，需要將其設(shè)計(jì)進(jìn)一步精細(xì)，達(dá)到其功能的實(shí)現(xiàn)并且通過材料的選擇提高儀器測(cè)量精度。初期，儀器性能提升校準(zhǔn)的過程中先使用信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字示波器來代替信號(hào)發(fā)生器模塊和Arduino芯片。首先對(duì)軸心處的磁芯進(jìn)行篩選，改變線圈中央磁芯的長度改變線圈的互感系數(shù)，確定最適合測(cè)微的磁芯種類。將不同長度磁芯的測(cè)量數(shù)據(jù)擬合作圖，可以從趨勢(shì)線中看出它們的共同特點(diǎn)：其大體形狀是一個(gè)比較平緩的“S”型，在數(shù)據(jù)點(diǎn)的中部，曲線的趨勢(shì)接近一條水平。
直線(如圖1)。因此在曲線中部，峰值之差和位移的關(guān)系可以近似視為線性。這一性質(zhì)可以被很好地利用在測(cè)距上。將中部直線截出，計(jì)算其大致的斜率。選取斜率最大的磁芯，其具有更好的精確度：相同微小位移量的改變可以對(duì)應(yīng)幅度更大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的峰值之差，更加符合我們“測(cè)微”的目標(biāo)。
其次對(duì)主體部分進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)定，通過測(cè)量線圈中的電流峰值變化與距離變化的數(shù)據(jù)，得到相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而可以從電流的改變得到未知細(xì)小距離的變化(如圖2)。
通過此關(guān)系，我們每從數(shù)據(jù)采集卡中讀取到一個(gè)峰值之比的數(shù)據(jù)我們便可以得到實(shí)際微小位移。
3 儀器集成
儀器的集成屬于錦上添花的特點(diǎn)，前兩大部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了空心互感式測(cè)微電子秤的主要功能。前面為了方便儀器的調(diào)試和改良，電磁信號(hào)的激發(fā)以及數(shù)據(jù)的采樣、計(jì)算使用的是專用儀器信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字示波器。為使儀器更加小巧精致，采用信號(hào)發(fā)生模塊來激發(fā)電磁場(chǎng)，采用Arduino芯片編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、分析，并且使用Arduino芯片控制液晶顯示屏顯示出計(jì)算結(jié)果。先前整個(gè)儀器由三大部分連接構(gòu)成，笨重且使用不方便;經(jīng)過兩個(gè)硬件芯片和液晶屏的加入，體積縮小到掌心大小長方體，但是功能以及精確度依舊得到了保持。
4 總結(jié)
此空心互感式測(cè)微電子秤運(yùn)用了非常簡單的互感原理，制作成本低，工藝簡單，但是通過電磁信號(hào)的放大作用能夠非常精確地測(cè)量微小位移。并且以測(cè)量微小位移的功能為核心，可以開發(fā)出除測(cè)重以外的多種相關(guān)功能。“測(cè)微”是此器材的核心特點(diǎn)，“集成化”使該儀器攜帶方便，更加便于使用。
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