电磁力平衡式力传感器的高线性度设计与实验研究学术报告

一、作者与发表信息
本研究由重庆大学机械传动国家重点实验室的Qiuxiao Wang（第一作者兼通讯作者）、Pan Jiang及Lijian Shen合作完成，发表于期刊*Measurement*（2016年1月接受，DOI: 10.1016/j.measurement.2016.01.019）。

二、学术背景与研究目标
传统力传感器（force transducer）依赖弹性敏感元件（elastic sensitive element）和惠斯通电桥（Wheatstone bridge），其非线性误差（nonlinearity error）和信噪比（signal-noise ratio, SNR）问题限制了精度（通常≤0.02%）。本研究提出一种基于电磁杠杆（electromagnetic lever）的力平衡式传感器（force balanced transducer），通过电磁力补偿负载，以线圈电压直接表征力值，旨在解决非线性与信噪比问题，实现更高精度（目标≤0.003%）。

三、研究流程与方法
1. 传感器原理设计
- 结构：核心为杠杆（lever）、衔铁（armature）、E型电磁铁（E-type electromagnet）和位置传感器（position sensor）。负载施加于称重盘（weighing pan）后，杠杆偏转通过闭环控制系统（closed-loop control system）调节电磁铁电压，生成反向电磁力平衡力矩（见公式1）。
- 创新点：机械结构无弹性变形，通过电磁力补偿消除几何非线性；输出为高电压信号，规避微伏级噪声干扰。

1. 电磁力非线性分析与补偿

   • 有限元建模（FEM）：使用ANSYS软件建立二维电磁模型（平面53单元），模拟不同电压（5–25 V）和空气间隙（air gap, 0.2–0.5 mm）下的电磁力曲线（图6），发现力-电压呈抛物线非线性关系。
     
   • 温度影响：实验证明温度升高导致线圈电阻（coil resistance）增加（图8）、间隙减小（图10），进而改变电磁力特性（图12）。通过分段线性拟合（piecewise linear fitting）将非线性误差降至0.001%（图15），并集成温度传感器实时反馈补偿。
     

2. 实验验证

   • 三测量点法（three-point measurement）：3个传感器均匀分布（半径150 mm），消除力点位置影响（公式10）。
     
   • 标定测试：采用E1级标准砝码（5 g–200 kg）在20°C下重复10次测量，结果显示相对误差（relative error, RE）≤0.003%（表3），线性度达0.001%。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 电磁力特性：仿真与实验数据对比（图14）显示理论模型误差达14.47%，经分段拟合后与实际曲线重合（图15），验证补偿有效性。
2. 温度稳定性：温度每升高1°C，间隙减少0.0011 mm（图10），通过实时补偿维持力-电压线性关系。
3. 精度验证：三测量点法下，200 kg量程内RE均低于0.003%，满足高精度静态力测量需求。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出电磁杠杆结构替代传统弹性元件，从根本上消除机械非线性。
- 通过分段线性化和温度补偿，解决电磁力非线性问题，为高精度传感器设计提供新思路。
2. 应用价值：
- 适用于工业称重、材料测试等需高线性度（0.001%）和大容量（200 kg）的场景。
- 控制电压直接输出，简化信号处理流程，降低电子噪声干扰。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将分段线性拟合应用于电磁力补偿，结合温度反馈实现动态校准。
2. 结构优势：杠杆式力平衡设计消除几何非线性，优于传统应变片（strain gauge）传感器。
3. 性能突破：线性度（0.001%）和精度（0.003%）显著优于同类产品（如HBM S2M传感器，精度0.02%）。

七、其他贡献
- 实验数据公开了电磁铁尺寸（图4）、材料参数（表2）及温度系数（表1），可供后续研究复现。
- 研究受国家自然科学基金（51175529）支持，成果已通过*Measurement*期刊评审，具备较高可靠性。

（注：全文术语首次出现时标注英文原词，如“力平衡式传感器（force balanced transducer）”。）