一种磁悬浮天平及质量测量方法技术

本发明专利技术属于物体的质量测量技术，公开了一种磁悬浮天平及质量测量方法，包括：柱形磁悬浮运动执行器，其包括初级线圈、初级永磁体、次级永磁体、固定于次级永磁体的载物托盘；位置测量传感器，其能够实现动子的高精度、非接触测量；配套硬件系统，其包括功放电路、控制器。本发明专利技术解决了现有化学样品的质量监测问题，尤其当被检测样本需置于密闭容器内时，本发明专利技术可以实现样品质量的非接触检测。本发明专利技术采用线圈激励电流反演物体质量，有别于现有磁悬浮天平仅将磁悬浮单元作为质量传递机构，真正实现了测量过程与外界的非接触，便于实现仪器的集成化与小型化，同时实现精密质量计量。同时实现精密质量计量。同时实现精密质量计量。

【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮天平及质量测量方法


[0001]本专利技术涉及磁悬浮
和非接触质量测量
,特别是提出一种基于磁悬浮技术的非接触质量测量装置。

技术介绍

[0002]分析天平包含常量、微量、超微量天平，在使用过程中对测量环境的要求较高，需要在室温、无风、无振动条件下使用；现有常规天平无法实现完全防风、防水、防尘、隔热条件，影响天平的工作精度；为了获得测量的高精度(万分之一以上精度)，需要良好的使用环境。另一方面，分析天平往往需要处理存在毒性、腐蚀性、易燃性、高温、高压等特性的待测样品，需要严格的密封测量条件。为了实现高精度、非接触式测量，提出了一种磁悬浮天平装置。
[0003]传统记录天平通常采用机械接触式结构配合应变片，样品质量的变化会导致应变片的电阻或者电容特性发生变化，将这些电学特性转化为电信号进行记录，可以获得被测物体质量。然而这种测量方式无法做到非接触，故在针对高温、高压、腐蚀性化学物体的质量计量场合使用受限，也无法实现这类物品质量的时变监测。
[0004]申请号为201620733732.6的中国专利公开了一种磁悬浮天平装置，其采用磁悬浮技术实现重力传递，通过磁悬浮技术实现秤盘芯和磁悬浮托盘的隔离，这种设计结构实现了非接触测量，但仍然采用传统机械结构和测力传感器，为实现高精度，需要严格控制机械装配精确、传感器测量分辨率。申请号为201810320916.3的中国专利公开了一种磁悬浮热天平结构，该装备可以实现样品室与外界的隔离，但该方法使用位移反演被测物体质量，无法保证测量的线性度，且磁悬浮系统与高精度位置测量系统相互独立，很难做到系统的集成化与小型化。
[0005]以德国Rubotherm公司为代表的现有商业产品中，其设计的磁悬浮热重分析仪采用和本设计类似的下拉式磁悬浮系统，然后其依旧采用外接定子端位移量转化为电量的传统天平设计方法，为了达到测量的高精度，需要复杂的调校与昂贵的应变传感器，且其使用的位置传感器测量精度有限，测量过程中的悬浮部件的位置偏移也会引入一定的测量不确定性。

技术实现思路

[0006]本申请实施例通过一种磁悬浮天平设计方法，解决了现有技术中无法低成本实现物料非接触、高精度测量问题，并能实现物料在反应过程中的质量监测。
[0007]为实现上述目的，本专利技术设计的高精度磁悬浮天平包括
[0008]磁悬浮运动执行器：即用于提供浮力抵消被测物体重力的执行器，采用圆柱形，包括固定初级部件、与固定初级部件保持吸引状态的运动次级部件，以及通过连接机构与运动次级部件连接固定的天平托盘。
[0009]传感系统；用于获得磁悬浮天平动子位置。
[0010]硬件部分；包含控制器和功放电路，控制器用于执行控制算法，根据动子位置计算相应的信号实现稳定悬浮；功放电路在控制信号作用下输出稳定的电流信号，同时功放电路包含电流检测模块，用于测量线圈的激励电流以分析被测物体质量。
[0011]在上述的一种磁悬浮天平，还包括天平支撑架和密封腔，固定初级部件包括初级线圈以及设置在初级线圈内的初级永磁体，天平支撑架设置相应的螺纹孔用于安装初级线圈座，固定初级部件固定在初级线圈座上；密封腔安装在线圈座正下方，运动次级部件包括放置于密封腔内的次级永磁体，所述次级永磁体通过连接机构与天平托盘固定连接。
[0012]在上述的一种磁悬浮天平，天平支撑架顶部开有线圈座通光孔，在初级线圈座的轴线上开有与线圈座通光孔同轴的通光孔，其为台阶孔，台阶孔的最大直径处放置初级永磁体，初级永磁体为中空磁环，用于进行激光干涉测量的激光光束通过通光孔、中空磁环、线圈座通光孔照射至运动次级反光镜进行位置测量。线圈绕制完成后，与安装座胶缝，两者为过渡配合，柱形磁环与安装座过盈配合
[0013]在上述的一种磁悬浮天平，连接机构包括运动次级吊杆，次级永磁体安装于运动次级吊杆内，通过螺孔连接转接台阶轴，再通过托盘连接杆连接天平托盘；运动次级吊杆在顶部开有台阶孔，次级永磁体通过过赢配合压入吊杆，转接件通过螺纹孔安装在运动次级吊杆上，转接杆的直径小于吊杆；在密封腔的中段存在一个隔断层，隔断层中间带有圆形通孔，该通孔的直径略小于吊杆下半段直径，该隔断层可作为限位装置。在系统未启动时，吊杆放置在限位装置上，天平托盘通过连接杆安装在转接件上，连接杆、转接件、天平托盘通过螺纹连接。
[0014]在上述的一种磁悬浮天平，运动次级吊杆分为上半段和下半段，两者通过螺杆、螺孔连接，可产生通光狭缝。
[0015]在上述的一种磁悬浮天平，密封腔底部设有进气口和出气口，用于通入反应气体进行化学反应。
[0016]在上述的一种磁悬浮天平，传感系统包括光源，光源安装在支架上，发出光信号经过通光狭缝的遮挡，照射到光敏位置器件上，光敏位置器件和遮光罩均安装在天平支撑架上，运动次级运动时，通光狭缝也将改变光照射在光敏器件上的位置，光敏器件输出变化的电信号以实现测量；
[0017]在上述的一种磁悬浮天平，传感系统还包括激光干涉仪，激光干涉仪发出的干涉激光水平出射，通过直角反射镜向下，通过通光孔和线圈座通光孔，照射到位于运动次级永磁体上方的反射镜上，沿原光路返回，形成干涉进行位置高精度测量。
[0018]在上述的一种磁悬浮天平，所述功放电路包括温度传感器、同时与温度传感器和控制器连接的模拟数据采集卡、与模拟数据采集卡连接的差分放大器、与控制器连接的模拟量产生卡、与模拟量产生卡连接的功率放大器、与功率放大器连接的电压放大器、与差分放大器两路输出并联的采样电阻、以及与电压放大器连接的反馈电阻，采样电阻的一端还与功率放大器输出连接；初级线圈的激励电流由功率放大器提供，同时，悬浮时的电流经过采样电阻转化为电压信号，再经由差分放大器，通过数据采集卡输入控制器，电流测量值被测物体的质量变化。
[0019]一种磁悬浮天平的测量方法，其特征在于，包括：
[0020]初级定位测量：包括吊杆上的通光狭缝、光源、光敏器件、电流
‑
电压转换器、数据
采集卡以及控制器，系统上电后光源照射出的光信号经过通光狭缝照射至光敏器件，光敏器件输出电流信号，通过电流
‑
电压转换器获得电压信号被数据采集卡收集至控制器，根据光敏器件的不同特性，在控制器中设计相应的转换函数反演天平动子竖直，并对计算结果进行低通滤波处理，以提高控制信号信噪比，并提升悬浮天平的定位分辨率。高级定位测量：包括激光干涉仪、反光镜、脉冲计数器以及控制器，当磁悬浮天平基于粗定位实现稳定悬浮后，启动精定位测量，以当前粗定位输出结果为原点，悬浮吊杆运动带动反光镜运动，干涉仪输出脉冲信号被脉冲计数器采集，控制器通过对脉冲计数获得磁悬浮天平悬浮托盘的纳米级精确位置，并将该位置用于位置反馈实现闭环控制。
[0021]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0022]在本申请实施例中，提供的磁悬浮天平系统主要包括磁悬浮单元、传感器单元、硬件系统与主控单元；磁悬浮单元包含固定初级与运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮天平，其特征在于,包括:磁悬浮运动执行器：即用于提供浮力抵消被测物体重力的执行器，采用圆柱形，包括固定初级部件、与固定初级部件保持吸引状态的运动次级部件，以及通过连接机构与运动次级部件连接固定的天平托盘；传感系统；用于获得磁悬浮天平动子位置；硬件部分；包含控制器和功放电路，控制器用于执行控制算法，根据动子位置计算相应的信号实现稳定悬浮；功放电路在控制信号作用下输出稳定的电流信号，同时功放电路包含电流检测模块，用于测量线圈的激励电流以分析被测物体质量。2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮天平，其特征在于，还包括天平支撑架和密封腔，固定初级部件包括初级线圈以及设置在初级线圈内的初级永磁体，天平支撑架设置相应的螺纹孔用于安装初级线圈座，固定初级部件固定在初级线圈座上；密封腔安装在线圈座正下方，运动次级部件包括放置于密封腔内的次级永磁体，所述次级永磁体通过连接机构与天平托盘固定连接。3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮天平，其特征在于，天平支撑架顶部开有线圈座通光孔，在初级线圈座的轴线上开有与线圈座通光孔同轴的通光孔，其为台阶孔，台阶孔的最大直径处放置初级永磁体，初级永磁体为中空磁环，用于进行激光干涉测量的激光光束通过通光孔、中空磁环、线圈座通光孔照射至运动次级反光镜进行位置测量，线圈绕制完成后，与安装座胶缝，两者为过渡配合，柱形磁环与安装座过盈配合。4.根据权利要求1所述的一种磁悬浮天平，其特征在于，连接机构包括运动次级吊杆，次级永磁体安装于运动次级吊杆内，通过螺孔连接转接台阶轴，再通过托盘连接杆连接天平托盘；运动次级吊杆在顶部开有台阶孔，次级永磁体通过过赢配合压入吊杆，转接件通过螺纹孔安装在运动次级吊杆上，转接杆的直径小于吊杆；在密封腔的中段存在一个隔断层，隔断层中间带有圆形通孔，该通孔的直径小于吊杆下半段直径，使吊杆能够放置在该隔断层上，该隔断层作为限位装置，在系统未启动时，吊杆放置在限位装置上，天平托盘通过连接杆安装在转接件上，连接杆、转接件、天平托盘通过螺纹连接。5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮天平，其特征在于，运动次级吊杆分为上半段和下半段，两者通过螺杆、螺孔连接，可产生通光狭缝。6.根据权利要求1所述的一种磁悬浮天平，其特征在于，密封腔底部设有进气口和出气口，用于通入反...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐逢秋，许贤泽，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：