电磁力平衡传感器的永磁体性能影响与改善方法

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仪表技术与传感器

2000年

电磁力平衡传感器的永磁体性能影响与改善方法

滕召胜

湖南大学电气与信息工程学院 长沙市 410082

=摘要>永磁体磁性能的稳定性直接影响电磁力平衡传感器的精度, 其自动补偿具有重要意义。文中分析了永磁体磁性能的时间、温度、外磁场、腐蚀、冲击、振动等因素影响, 介绍了改善电磁力平衡传感器永磁体性能、克服上述因素影响的老化方法与补偿方法, 实际应用表明这些方法是切实可行的。

关键词:电磁力平衡传感器 永磁体 磁感应强度 老化 补偿

Effects of Magnetism of Permanent Magnet on Electromagnetic

Force Balance Sensor and Its Improvement Methods

Teng Zhaosheng

College o f Elect rical and I nformation Engineer ing , Hunan U niversity, Changsha 410082

Abstract:M agnetism of permanent magnet affects the accuracy of electro magnetic force balance sensor, and is impor -tant to compensate the effects of the magnetism. T his paper analyses t he factors pr oducing variations of intensity of mag -netizatio n such as time, temperature, mag netic field, corrosion, shock and vibr ation, and introduces t he ag eing and com -pensation methods to overcome t he effects o f the mag netism of permanent magnet. Pract ical application show s that the ageing and compensation metho ds are feasible.

Key Words:Electromagnetic F orce Balance Sensor, Per manent M agnet, Intensity of M agnetization, Ageing, Compensatio n

1 引言

电磁力平衡传感器是一种高精度测力传感器, 广泛用于电子分析天平电子分析, 是精密质量称量的常用传感器。电磁力平衡传感器依靠载流线圈在恒定直流磁场中产生的电磁力与被测质量的重力平衡, 实现被测质量的电信号转换。为减小传感器的体积, 简化传感器的制造工艺, 降低制造成本, 电磁力平衡传感器的恒定直流磁场采用永久磁铁。永久磁铁作为电磁力平衡传感器的永磁体, 其磁性能的稳定性直接影响电磁力平衡传感器的精度。

文中分析永磁体产生磁性能变化的原因, 介绍克服电磁力平衡传感器永磁体性能影响的行之有效的老化方法与补偿方法。

信号经PID 调节放大, 变成与被称量质量m 成正比的电流I 并流经动圈。载流动圈在永磁体的磁场作用下, 将产生向上的安培力F , 使电磁力平衡传感器的可

动部分向上移动。

图1 电磁力平衡传感器的原理结构

2 电磁力平衡传感器的工作原理

电磁力平衡传感器的结构如图1所示。

称盘加载前, 拉簧的拉力与称盘、立柱、动圈(可动线圈) 、遮光片等传感器的可动部分的重力相当, 传感器处于初始平衡状态, 发光管的不可见光被遮光片完全挡住, 光敏管的输出电压为0。称盘加载后, 被称量物体的质量m 使电磁力平衡传感器的可动部分发生位移。遮光片位移后使光敏管产生电压输出, 该电压

收稿日期:2000-04-13 修改稿日期:2000-06-21

遮光片向上移动后, 光敏管的电压输出信号减少,

但PID 调节的积分环节使流经动圈的电流I 继续增大[1], 直至可动部分回到初始平衡位置, 光敏管的输出电压为0, 电流I 保持恒定。此时, 过流动圈在永磁体磁场作用下产生的安培力F 与被称量质量m 的重力mg 相当, 电磁力平衡传感器处于平衡状态。于是有

F =BLI =mg (1) 式中:B 为永磁体气隙中的磁感应强度; L 为动圈的导

第10期

线长度; I 为流经动圈的电流; g 为重力加速度。

由式(1) 有

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至B 1; 永磁体的温度从T 1回到T 0后, 磁感应强度回至B 0c , 而不是回至B 0. 以后温度在T 0~T 1间变化, 永磁体的磁感应强度在B 1~B 0c 间变化。另一方面, 永磁体工作点的位置也影响磁感应强度B 的温度稳定性。当永磁体的工作点选择靠近在最大磁能积点时, 磁感应强度随温度的变化较小; 否则较大。这种温度特性还表现在温度系数的正、负特性随工作点不同的变化上, 同一永磁体, 工作点选择不同, 温度系数可能为正, 也可能为负, 也可能为0。

可见, 温度对永磁体磁感应强度的影响是十分复杂的。

312 时漂影响

永磁体存在自然退磁现象, 磁感应强度B 随时间变化。未经老化处理的永磁体, 其磁感应强度随着时间的推移逐渐变小, 每年大约降低0. 5%。永磁体磁感应强度随时间变化是电磁力平衡传感器产生时漂的主要原因[3]。

永磁体材料在进行铸造、切削、电火花打孔、淬火等加工过程中, 必然造成内部组织的不均匀, 因而必将形成内部应力。随着时间的推移, 永磁体的内组织将逐步趋于均匀, 内部应力将逐步消失。这种内部应力由大变小的过程影响永磁体磁性能的稳定性, 致使永磁体的磁感应强度随时间推移而变化, 形成时漂。313 环境磁场影响

永磁体的磁感应强度随环境磁场的变化而变化。当永磁体周围存在外界交流、直流磁场的作用时, 永磁体的工作点将发生/漂移0, 产生受环境磁场干扰引起的充磁或退磁现象。外界磁场消失后, 永磁体的磁感应强度会因这种干扰引起的充磁或退磁产生一个固定的变化值, 直接影响传感器的称量输出。

314 冲击与振动影响

冲击、振动可能改变永磁体材料的内部结构, 产生内应力, 致使磁分子重新排列, 磁感应强度发生变化, 从而影响传感器的输出精度。315 腐蚀影响

电磁力平衡传感器是实验室用传感器, 受实验室酸、碱、氧气、氢气等化学因素的腐蚀作用, 永磁体内部和表面的化学结构会发生变化, 磁性能受到较大影响, 轻则致使传感器输出误差加大, 重则失去称量功能。

[2]

m =(2)

g

式(2) 即电磁力平衡传感器的质量称量输出特性。当g 、B 、L 一定时, 通过测量动圈电流, 即可间接测量被称量物体的质量。图1中R N 为传感器输出取样电阻。

由式(2) 可见, 电磁力平衡传感器的称量输出与永磁体的磁感应强度成正比, 磁感应强度的变化必将造成传感器输出的相应误差, 影响传感器的精度。由式(2) 得到磁感应强度B 的变化$B 引起的传感器输出的误差$m 为

$m =$B =#$B (3)

d B g

因此, 永磁体磁性能的稳定对于确保电磁力平衡传感器的测量准确性具有重要作用。

3 永磁体的磁性能影响

永磁材料的磁性能主要包括热稳定性、磁稳定性、时间稳定性和化学稳定性。

永磁体材料很多, 过去使用较多的是铸造铝镍钴永磁合金和铸造铝镍钴钛永磁合金, 现在使用较多的是稀土永磁材料。稀土永磁材料易于获得较高的磁感应强度和较好的稳定性。

成型后的永磁体材料置于强磁场中, 将产生磁化, 即所谓充磁。充磁后的永磁体的磁感应强度并不是恒定的, 它随温度、时间、环境磁场的变化而变化, 此外腐蚀、冲击和振动也影响永磁体磁感应强度的稳定性。311 温度影响

环境温度的变化和动圈过流引起的发热都会使电磁力平衡传感器的永磁体温度发生变化。实验表明, 永磁体磁感应强度随温度变化明显, 温度升高, 磁感应强度减小; 温度降低, 磁感应强度增加。但磁感应强度的温度效应并非线性, 它随温度变化后, 不能完全随温度的回复而回复, 这种温度影响因永磁体的材料不同而有很大差别。

图2为一种负温度系数永磁材料的温度特性。当永磁体的温度从T 0升至T 1时, 磁感应强度从B 0

降

4 永磁体的磁性能改善方法

由于磁感应强度受诸多因素的影响, 永磁体磁性能的补偿对于电磁力平衡传感器的产品化设计、生产具有重要意义。除选用温度性能稳定的永久磁铁作为, 稳磁

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处理、预冲击振动、表面处理等措施都是改善永磁体磁性能的有效方法。

411 老化处理

永磁体的磁感应强度随时间变化的自然退磁现象可通过老化处理得到改善。老化后, 永磁体的内部组织即达到稳定, 磁感应强度的时漂可大大减小, 年漂移可控制在10-6/年的变化范围, 甚至更小[3]。

简便易行的老化方法有烘箱加热老化法和煮沸老化法。

4. 1. 1 烘箱加热老化

将加工成型而未充磁的永磁体置于恒温电热烘箱内, 调节温度控制器使箱内温度控制在100? 5e 范围, 保温约5h 后取出, 置于室内再自然老化一段时间。重复这种恒温) 室温老化过程3~5次即可。4. 1. 2 煮沸老化

将加工成型而未充磁的永磁体置于盛有开水的容器中, 煮沸4~5h, 取出后置于室内再自然老化一段时间。重复这种煮沸) 室温老化过程3~5次即可。412 温度循环处理

温度循环处理可以提高永磁体的温度稳定性, 具体方法如下:永磁体加工、充磁后, 可分别置于高于永磁体正常工作温度上限值约40e 和低于永磁体正常工作温度下限值约40e 的恒温箱中, 各保温数小时。进行3~5次这样的高、低温循环处理后, 永磁体的结构逐渐稳定, 温度稳定性可大大提高, 在正常工作温度范围内, 磁感应强度可以基本保持不变。413 磁屏蔽

利用高导磁材料将永磁体包围起来, 形成屏蔽壳体, 屏蔽壳体对磁场的磁分路作用不仅可以防止外界磁场对永磁体的干扰, 还可以防止永磁体磁场对传感器其他部分及后续处理电路的影响。

414 稳磁处理

磁屏蔽是一种被动的抗外界磁场干扰方法, 稳磁处理则可以提高永磁体自身抗外界磁场干扰的能力。

图3

为一种稳磁处理原理图。

稳磁处理是将充磁后的永磁体置于螺管线圈中, 对螺管线圈通入一定大小的交流激磁电流约1min, 之后逐渐减小交流激磁电流, 直至为0.

经过稳磁处理后的永磁体抗外磁场的干扰能力大大增强, 即使在较强的外界磁场干扰环境中磁感应强度有些变化, 在外磁场消失后, 磁感应强度会完全回复到原来值。

415 预冲击振动

将充磁后的永磁体分别置于冲击、振动试验台上, 进行上千次冲击、振动试验, 可以加速永磁体内部组织的稳定, 增强永磁体在使用中的抗冲击、振动能力。但预冲击、振动试验后, 永磁体的磁感应强度将有少量的减小。

416 表面处理

为有效防止化学物质的腐蚀影响, 永磁体在选材时应注意使用密度高、残留气隙少的永磁材料。永磁体加工、充磁后, 在成品的表面应涂敷保护层或进行电镀处理, 如喷涂环氧树脂、镀锌、镀镍、电泳等。保护层的厚度为10~40L m. 417 计算机补偿

电磁力平衡传感器用于测量仪器中, 还可以通过对标准砝码的称样, 利用测量仪器的单片机或PC 机对传感器的温漂、时漂和重力加速度影响进行实时补偿, 获得更好的测量结果。

5 结束语

电磁力平衡传感器是一种精密测力传感器, 由于测量分辨率高、灵敏可靠、价格适宜, 在精密质量称量、化学反应监测、加速度测量、水分检测等领域获得了越来越多的应用。永磁体磁性能是制约电磁力平衡传感器稳定性与准确性的重要因素, 提高永磁体磁性能是传感器设计调试极其关键的环节。文中系统地分析了永磁体磁性能的影响因素, 从多方面介绍了提高永磁体磁性能的处理方法。依据文中的方法, 成功地抑制了称量范围0~200g 、感量为0. 1mg 、称量误差[012mg 的TM P-200电子分析天平中电磁力平衡传感器的永磁体影响因素, 取得了满意的结果, 该产品已获得广泛应用, 具有很高的稳定性。

参

考

文

献

1 滕召胜等. 电磁力平衡传感器的温度影响及其补偿. 传感器技术,

1998; 17(2) :28~30.

2 袁希光. 传感器技术手册. 北京:国防工业出版社, 1986.

图3 稳磁处理原理图

3 唐任远. 现代永磁电机. 理论与设计. 北京:机械工业出版社, 1997.