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电磁力称重传感器基本工作原理

时间:2021-06-02 15:05:00来源:中国传动网

导语:​称重技术集传感器技术、微电子技术、计算机控制及测量技术、机械自动化技术、物流输送和管理技术为一体,是现代称重计量和控制系统工程的技术基础。

一、动态称重技术的发展趋势及相关产品

称重技术集传感器技术、微电子技术、计算机控制及测量技术、机械自动化技术、物流输送和管理技术为一体,是现代称重计量和控制系统工程的技术基础。涉及到各个行业,功能也不再是单纯的计量,而是向多参数、专业综合控制方面发展,形成多元化的智能管理和控制系统,大致可以概括为以下几个特点:

1. 高速度、高精度、高性能;

2 小型化、模块化、智能化及综合化;

3.稳定性、质量可靠性、长寿命、故障自诊断及可维护性;

4. 网络化管理,实现网上通讯和远程控制;

总之,智能化、自动化、多功能将成为现代称重技术的发展方向。

应用动态称重技术,主要的产品有:

连续累计自动衡器(皮带秤);自动分检衡器;重力式自动装料衡器;自动轨道衡器;

动态汽车衡等等。

二、电磁力平衡称重传感器在动态称重技术的应用

称重传感器

01电磁力平衡传感器的基本原理及理论基础

电磁力是电荷、电流在电磁场中所受力的总称,也有称静止电荷在电场中所受力为静电力,而载流导体在磁场中受到的作用力称为安培力,电流I,长为L的导线。在均匀的磁场中受到的安培力大小为:F=ILBsinθ

其中θ为电流方向与磁场强度方向间的夹角,I为通电直导线上通过的电流,B为通电直导线所在磁场的强度,L为通电直线在磁场区域内的长度。当电流方向与磁场方向相同或者相反时,电流不受磁场力作用。当电流方向与磁场方向垂直时,电流受的安培力最大,为:F=ILB

安培力的方向由左手定则判定,将左手掌摊平,让磁力线穿过手掌心,四指表示电流运动的方向,则与四指垂直的大拇指所指向方向即为安培力的方向。安培力的实质是形成电流的定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力。如下图2-1所示:

 传感器

电磁力平衡传感器的称重过程基于安培力实现的。通电导线在磁场中受到的作用力如下图2-2所示,在导线上加秤盘,秤盘及导线本身具备的重力方向朝下,而通电导线受到向上的电磁力,当通过导线的电流值达到某一值时,这两个力互相平衡,此时传感器处于平衡状态,如图2-3所示。

 通电导线在磁场中受力示意图

2-2 通电导线在磁场中受力示意图

 传感器处于空载状态示意图

2-3 传感器处于空载状态示意图

在秤盘上加载重物后,向下的重力增加,秤盘向下移动,传感器就处于不平衡状态,如图2-4所示。如需要再次达到平衡状态,就要加大通过导线的电流,使得由电流产生的电磁力的大小与加上物体后受到的重力相等,秤盘才恢复到原平衡位置,如图2-5所示。

传感器承受负载状态示意图

2-4传感器承受负载状态示意图

传感器承受负载后恢复平衡状态示意图

2-5传感器承受负载后恢复平衡状态示意图

由于一根导线上通过电流很小,产生的电磁力也小,在实际应用中,将导线绕成圈,一匝线圈就是一根导线,N匝线圈产生的电磁力为单根导线的N倍。在电磁力平衡传感器的应用中,就是采用这种方式来产生电磁力的,对于环形导线,力F为:F=dF=BIdLsinθ

θ=90°时,有F=BIL, 当具有N匝线圈时,则F=NBIDL

假设在匀强磁场中,即B为常数时,DL为定值,则电磁力F的大小与电流成正比。

FI,F=mg, mNI

从上式可以得出,物体的重量与电流的大小成正比。

02影响电磁力平衡传感器性能的几个方面

电磁力平衡传感器的原理视乎比较简单,看起来实现也不难,但是实际上却存在许多问题,理论上,被测物的质量是和流过导线的电流大小成正比。假设导线是处在一个匀强的磁场中,即一个恒定的值,但实际的磁场是由永磁体体产生的,而就相同两块材料,形状,质量完全一样的磁体,它们的磁场却不完全相同,无论何种材料铸成的磁钢,他们都有温度系数。将成型的永磁体的磁感应强度会随温度、时间、环境磁场的变化而变化,另外,腐蚀、冲击和震动也影响永磁体感应强度的稳定性。

03动态称重系统的关键技术

一个好的控制系统,关键是要解决动态特性和稳态误差的关系。在动态称重系统重两个关键的问题就准确度和速度的问题,在尽可能快的速度下获得尽可能高的准确度。称重传感器的调试主要是对传感器线圈电流的控制,根据物体的重量大小来调节电流,同时线圈电流调节器又反过来控制电流的大小使传感器保持在一个平衡位置。

对运动中的物体进行称重,除了需要考虑物体的静态特征外,更重要的考虑物体的运动特征。目前动态称重主要是用数据处理的方法来实现,数据处理过程需要基于一种相应的运动力学模型及其算法,需要解决运动物体的速度、加速度、运动方向、振动频率、振动幅度等多方面因素造成的称重误差。

标签: 传感器

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