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空心互感式測微電子秤論文
空心互感式測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測量儀器。其核心的測量機制便是電磁互感現(xiàn)象，并通過信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生磁場激發(fā)信號，Arduino硬件對實時測量數(shù)據(jù)進行采樣、處理、分析、計算，進而將由微小重量所引起的微小位移變化轉變?yōu)榉糯蟮碾娦盘枺瑥亩鴮崿F(xiàn)對微小變化的精細測量。除測量具有高精度的特點外，信號發(fā)生模塊和Arduino芯片的使用也保證了空心互感式測微電子秤集成化的實現(xiàn)，因此實現(xiàn)了攜帶方便的特點。
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?shù)谝恢痪�圈中的電流發(fā)生變化時，則其與第二只線圈環(huán)鏈的磁通也會發(fā)生變化，從而在第二只線圈中產(chǎn)生感應電動勢，并且能夠測量到相應的感應電流，這種現(xiàn)象就叫做互感現(xiàn)象。空心互感式測微電子秤便是基于這一簡單原理制成的。空心互感式測微電子秤主體部分為三個參數(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發(fā)生模塊電流振蕩產(chǎn)生磁場;而其余兩個線圈并不通電。將兩個線圈的端口分別接入Arduino芯片的兩個輸入端口測量其感應電流峰值的大小。重量所引起的微小位移量轉變?yōu)榇判镜奈⑿∥灰屏�，互感現(xiàn)象使電信號對此微小量進行首次放大，而兩個線圈的設計采用則可以將信號進一步擴大：預實驗時我們采取兩個線圈所產(chǎn)生的感應電流峰值之差為因變量，通過進一步實驗，為了更好地體現(xiàn)相位的改變等特點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微電子秤基本思路和大致模型。
2 儀器精細
確定空心互感式測微電子秤主體部分后，需要將其設計進一步精細，達到其功能的實現(xiàn)并且通過材料的選擇提高儀器測量精度。初期，儀器性能提升校準的過程中先使用信號發(fā)生器和數(shù)字示波器來代替信號發(fā)生器模塊和Arduino芯片。首先對軸心處的磁芯進行篩選，改變線圈中央磁芯的長度改變線圈的互感系數(shù)，確定最適合測微的磁芯種類。將不同長度磁芯的測量數(shù)據(jù)擬合作圖，可以從趨勢線中看出它們的共同特點：其大體形狀是一個比較平緩的“S”型，在數(shù)據(jù)點的中部，曲線的趨勢接近一條水平。
直線(如圖1)。因此在曲線中部，峰值之差和位移的關系可以近似視為線性。這一性質可以被很好地利用在測距上。將中部直線截出，計算其大致的斜率。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應幅度更大感應電動勢的峰值之差，更加符合我們“測微”的目標。
其次對主體部分進行測量數(shù)據(jù)的標定，通過測量線圈中的電流峰值變化與距離變化的數(shù)據(jù)，得到相關的函數(shù)關系，進而可以從電流的改變得到未知細小距離的變化(如圖2)。
通過此關系，我們每從數(shù)據(jù)采集卡中讀取到一個峰值之比的數(shù)據(jù)我們便可以得到實際微小位移。
3 儀器集成
儀器的集成屬于錦上添花的特點，前兩大部分已經(jīng)實現(xiàn)了空心互感式測微電子秤的主要功能。前面為了方便儀器的調試和改良，電磁信號的激發(fā)以及數(shù)據(jù)的采樣、計算使用的是專用儀器信號發(fā)生器和數(shù)字示波器。為使儀器更加小巧精致，采用信號發(fā)生模塊來激發(fā)電磁場，采用Arduino芯片編程對數(shù)據(jù)進行采樣、分析，并且使用Arduino芯片控制液晶顯示屏顯示出計算結果。先前整個儀器由三大部分連接構成，笨重且使用不方便;經(jīng)過兩個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
此空心互感式測微電子秤運用了非常簡單的互感原理，制作成本低，工藝簡單，但是通過電磁信號的放大作用能夠非常精確地測量微小位移。并且以測量微小位移的功能為核心，可以開發(fā)出除測重以外的多種相關功能�！皽y微”是此器材的核心特點，“集成化”使該儀器攜帶方便，更加便于使用。
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