電子分析天平是一種集傳感器技術(shù)、電磁學(xué)、模擬與數(shù)字電子技術(shù)、智能信息處理、材料、結(jié)構(gòu)力學(xué)、精密機(jī)械與制造等多學(xué)科技術(shù)的高尖端精密計(jì)量?jī)x器，是廣泛應(yīng)用于國防、醫(yī)藥、質(zhì)量控制、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域的質(zhì)量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具。電子分析天平的核心部件是電磁力平衡傳感器。

國內(nèi)傳感器的設(shè)計(jì)仍停留在仿制階段，缺乏基礎(chǔ)研究，傳感器輸出的靈敏度、穩(wěn)定度、一致性等性能難以保證。因基礎(chǔ)材料、精密制造工藝水平的制約，電磁力平衡傳感器的敏感部件—簧片與永磁體材料分散性大，導(dǎo)致電子分析天平漂移量大、穩(wěn)定性差、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、示值誤差大。

為此，國內(nèi)學(xué)者開展了漂移補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、信息處理等一系列研究以保證電子分析天平的計(jì)量性能。但是，這些研宄缺乏對(duì)電磁力平衡傳感器機(jī)械稱重機(jī)構(gòu)與永磁體磁路機(jī)構(gòu)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與研宄，缺少對(duì)電子分析天平漂移機(jī)理與非線性影響的全面分析以及有效的智能檢測(cè)和信息處理方法研宄，無法彌補(bǔ)材料與精密制造工藝水平缺陷對(duì)電子分析天平計(jì)量性能的影響。

本文立足國內(nèi)現(xiàn)有的基礎(chǔ)材料、精密制造工藝水平，針對(duì)現(xiàn)有電子分析天平研宄的不足，主要開展了如下幾個(gè)方面工作：

（１）針對(duì)現(xiàn)有的電磁力平衡傳感器基礎(chǔ)研究缺乏的問題，建立了傳感器機(jī)械稱重機(jī)構(gòu)的受力模型，根據(jù)能量守恒定律求解了機(jī)械稱重機(jī)構(gòu)的等效剛度，優(yōu)化設(shè)計(jì)了敏感部件承重簧片、支點(diǎn)簧片和吊帶簧片的尺寸，有效保證了傳感器的靈敏度與穩(wěn)定度指標(biāo)；設(shè)計(jì)了一種位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)，保證了可分辨出最小分度質(zhì)量在機(jī)械稱重機(jī)構(gòu)上產(chǎn)生的最小位移量；優(yōu)化設(shè)計(jì)了線圈組件參數(shù)和永磁體磁路結(jié)構(gòu)的最佳尺寸，構(gòu)建了基于ＡＮＳＹＳ的永磁體磁路結(jié)構(gòu)工程模型，理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的永磁體磁路結(jié)構(gòu)的合理性，確保了單線圈永磁體磁路機(jī)構(gòu)性能的最優(yōu)化，有效降低了線圈電流磁效應(yīng)與熱效應(yīng)影響，提高了傳感器輸出的一致性。

（２）針對(duì)現(xiàn)有電子分析天平溫度漂移與時(shí)間漂移補(bǔ)償方法落后、示值漂移大的缺陷，深入分析了電子分析天平溫度漂移與時(shí)間漂移機(jī)理。設(shè)計(jì)了一種差分反饋式光電檢測(cè)電路與低溫度漂移的恒流源接收電路，克服了溫度對(duì)機(jī)電平衡位置的影響；采取了永磁體磁性能改善、智能化校準(zhǔn)、元器件優(yōu)化等多項(xiàng)措施，有效降低了電子分析天平的時(shí)漂影響；針對(duì)永磁體、線圈等溫度敏感部件溫漂大、溫度無法直接檢測(cè)的問題，構(gòu)建了基于ＡＮＳＹＳ的電磁力平衡傳感器溫度場(chǎng)有限元熱分析模型，深入研究了線圈發(fā)熱與熱對(duì)流作用下的永磁體與線圈的溫升特性，建立了基于多點(diǎn)溫度檢測(cè)的永磁體與線圈溫度軟測(cè)量數(shù)學(xué)模型；結(jié)合溫度漂移試驗(yàn)研宄，構(gòu)建了基于二元線性回歸的電子分析天平溫漂與永磁體、線圈溫升之間ｎ博士學(xué)位論文的數(shù)學(xué)模型，提出了基于多點(diǎn)溫度軟測(cè)量、三溫度點(diǎn)標(biāo)定、二元線性回歸的電子分析天平溫度漂移自動(dòng)補(bǔ)償方法。結(jié)合時(shí)間漂移試驗(yàn)研究，提出了一種基于零位跟蹤技術(shù)的電子分析天平時(shí)間漂移自動(dòng)補(bǔ)償方法。上述方法有效地解決了永磁體材料分散性帶來的影響，實(shí)現(xiàn)了電子分析天平溫漂與時(shí)漂的自動(dòng)補(bǔ)償。

（３）針對(duì)現(xiàn)有的電子分析天平非線性補(bǔ)償方法復(fù)雜、示值誤差大的缺陷，深入分析了線圈電流磁效應(yīng)與熱效應(yīng)對(duì)電子分析天平非線性的影響，建立了基于ＡＮＳＹＳ的單線圈永磁體磁路、單線圈鐵心磁路和雙線圈永磁體磁路的電流磁效應(yīng)分析模型，仿真實(shí)驗(yàn)研究了電流磁效應(yīng)產(chǎn)生的附加磁感應(yīng)強(qiáng)度以及附加磁場(chǎng)對(duì)電子分析天平非線性的影響；通過理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)綜合得到了線圈電流磁效應(yīng)與熱效應(yīng)共同作用下的電子分析天平非線性輸出數(shù)學(xué)模型；采取了機(jī)電平衡參數(shù)優(yōu)化、取樣電阻優(yōu)化等方法，有效保證了電子分析天平的一致性、動(dòng)態(tài)工作范圍和分辨率；結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)研宄以及電子分析天平使用特點(diǎn)，提出了一種基于牛頓插值的非線性補(bǔ)償方法，建立了全量程修正模型，保證了電子分析天平全量程范圍內(nèi)均具有良好的線性度，且便于自動(dòng)化生產(chǎn)與調(diào)試。

（４）針對(duì)現(xiàn)有的電子分析天平稱量響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差等問題，建立了基于卡爾曼濾波器的稱量信息濾波方法和基于多級(jí)閾值約束的稱量信息判別方法，有效兼顧了電子分析天平的靈敏度和穩(wěn)定度，提高了響應(yīng)速度，縮短了穩(wěn)定時(shí)間。