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)量儀器，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、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電路與低溫度漂移的恒流源接收電路，克服了溫度對機(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；針對永磁體、線圈等溫度敏感部件溫漂大、溫度無法直接檢測的問題，構(gòu)建了基于ＡＮＳＹＳ的電磁力平衡傳感器溫度場有限元熱分析模型，深入研究了線圈發(fā)熱與熱對流作用下的永磁體與線圈的溫升特性，建立了基于多點(diǎn)溫度檢測的永磁體與線圈溫度軟測量數(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)度以及附加磁場對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）針對現(xiàn)有的電子分析天平稱量響應(yīng)時(shí)間長、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。