关于单模块电磁力平衡传感器

赛多利斯科学仪器（北京）有限公司解析了关于单模块电磁力平衡传感器。

在20世纪90年代中后期，分别采用高精度的超高速三维立体加工技术和电火花线切割技术对完整的高强度航空铝合金材料进行一次加工成型，率先研发和生产出单模块电磁力平衡传感器。该传感器制造技术将除磁钢、导磁体和动圈以外的簧片、平行导轨、横梁、链杆、吊架、基座等90~120余个机械零部件融为一体，使传感器整体零部件的数量减少达70%以上，大大提高了生产效率，其代表性的产品主要有Sartorius的超级单体传感器和超级单体双杠杆传感器、MettlerToledo的单模块传感器以及Shimadzu的整体型质量称量传感器。与传统分体式电磁力平衡传感器相比，单模块电磁力平衡传感器主要有以下几个优势：

（1）采用先进的高精密机械加工技术，各关键部件的尺寸（如簧片最薄处的厚度等）和定位误差（如横梁的水平度等）可控制在100nm的范围内，传感器的重量感应分辨率提高了10~100倍，其中Sartorius的Monolithic更是可达到2×108的极致重量感应分辨率，从根本上保证了电子分析天平的高精度；

（2）传感器整体是一次加工成型，其结构紧凑，具有卓越的一致性和重复性，同时传感器的故障更少，产品的品质更高，保证了电子分析天平优良的可靠性；

（3）传感器各零部件无连接螺丝，因而坚固耐用，对外界具有杰出的抗冲击性，尤其是Sartorius的DLS采用双杠杆结构，可实现4级防震，使得电子分析天平的质量计量结果更准确，示值更稳定，响应时间也更短；

（4）单模块合金材料具有同一的温度变化特性，传感器对环境温度的敏感性显著降低，有效减小了电子分析天平的漂移量输出；

（5）传感器较少的零部件减少了材料浪费，降低人工装配成本，可实现大规模量产，电子分析天平的生产周期从原来的1~2个月缩短至现在的5~7天；

（6）传感器在加工过程中即可实现偏载误差的一次性校准，同时采用高效的机械传输和扭力保护装置，提高了电子分析天平的使用寿命，并可适应更加恶劣的环境。

可见，单模块电磁力平衡传感器的出现及其成功的应用使得电子称量技术发生了革命性的变化，成为最先进实验室电子天平的标识。这也确立了德国Sartorius、瑞士MettlerToledo和日本Shimadzu等厂家在全球高精密电子称量技术领域中的领导地位。此外，为缩短单模块电磁力平衡传感器的研发周期，国外先进电子分析天平厂家的研发人员会根据设计要求建立传感器机械弹性体称重机构受力模型以及磁路结构模型，预先仿真分析传感器各关键部件的结构类型、材料特性和尺寸大小对质量计量分辨力、量程、非线性和漂移量等性能指标的影响，得到初步合理的设计参数后再进行传感器实物的加工和测试，可有效减少理论设计和实体验证的次数，降低研发成本，传感器机械弹性体和磁路结构的有限元模型分别。

为进一步提高单模块电磁力平衡传感器的质量计量性能，国外先进电子分析天平厂家还将加工完成后的传感器放置于恒温恒湿试验室中，通过标准砝码对温度漂移进行多个温度点的标定，如在相对湿度为50%RH时温度在10~30℃的范围内，建立传感器温度漂移量与敏感部件磁钢温度之间的数学关系模型，从而实现传感器温度漂移的补偿；在温度漂移标定过程中，标准砝码的加卸载由负载调节自动化装置完成，维持砝码加卸载的均匀性与一致性，并避开人为误操作产生的较大误差，保证数学关系模型对温度漂移补偿的高准确度；在温度漂移标定试验完成后，可继续采用负载调节自动化装置对传感器进行时间漂移补偿和非线性校正等。

这使得出厂后的电子分析天平具有漂移和非线性补偿功能，在保证质量计量精度的前提下大大增强了其环境适应能力；同时天平相应电磁力平衡传感器刻上的数字标签，便于进行产品的溯源和后期的维护。国外的电磁力平衡传感器负载调节自动化装置。综上所述，单模块电磁力平衡传感器的研发和生产涉及特种合金材料制造、复杂结构建模与分析、精密机械加工、温度与非线性的自动化补偿等一系列技术，它要求对高精度的电子称量技术进行深入、彻底的基础研究，以及对电子分析天平质量性能的不懈追求，更需要有将最新的研究成果迅速转化为产品的雄厚技术实力。

近年来，随着综合国力的不断增强，目前国内已具有单模块电磁力平衡传感器生产的技术设备和条件，但缺乏系统的理论基础研究，因此可参考国外先进产品的研发和生产思路，迅速弥补国内单模块电磁力平衡传感器的设计和制造工艺技术的空白，从而绕开传统分体式电磁力平衡传感器的技术壁垒，缩短国内高精密电子称量技术的发展进程，减小国内外差距。




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