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空心互感式測微電子秤論文
空心互感式測微電子秤是采用非常簡單的物理原理，利用電磁互感現象制成的小型集成化的電子精細測量儀器。其核心的測量機制便是電磁互感現象，并通過信號發生器模塊產生磁場激發信號，Arduino硬件對實時測量數據進行采樣、處理、分析、計算，進而將由微小重量所引起的微小位移變化轉變為放大的電信號，從而實現對微小變化的精細測量。除測量具有高精度的特點外，信號發生模塊和Arduino芯片的使用也保證了空心互感式測微電子秤集成化的實現，因此實現了攜帶方便的特點。
1 儀器模型
如果有兩只線圈互相靠近，則其中第一只線圈中電流所產生的磁通有一部分與第二只線圈相環鏈。當第一只線圈中的電流發生變化時，則其與第二只線圈環鏈的磁通也會發生變化，從而在第二只線圈中產生感應電動勢，并且能夠測量到相應的感應電流，這種現象就叫做互感現象。空心互感式測微電子秤便是基于這一簡單原理制成的。空心互感式測微電子秤主體部分為三個參數相同的同心軸線圈和軸心處的磁芯。中間的線圈接入信號發生模塊電流振蕩產生磁場;而其余兩個線圈并不通電。將兩個線圈的端口分別接入Arduino芯片的兩個輸入端口測量其感應電流峰值的大小。重量所引起的微小位移量轉變為磁芯的微小位移量，互感現象使電信號對此微小量進行首次放大，而兩個線圈的設計采用則可以將信號進一步擴大：預實驗時我們采取兩個線圈所產生的感應電流峰值之差為因變量，通過進一步實驗，為了更好地體現相位的改變等特點我們改為峰值之比為因變量。峰值之差只能確定位移的大小，但是峰值之比不僅僅可以確定位移的大小，還可以獲取位移的方向特性。以上便是空心互感式測微電子秤基本思路和大致模型。
2 儀器精細
確定空心互感式測微電子秤主體部分后，需要將其設計進一步精細，達到其功能的實現并且通過材料的選擇提高儀器測量精度。初期，儀器性能提升校準的過程中先使用信號發生器和數字示波器來代替信號發生器模塊和Arduino芯片。首先對軸心處的磁芯進行篩選，改變線圈中央磁芯的長度改變線圈的互感系數，確定最適合測微的磁芯種類。將不同長度磁芯的測量數據擬合作圖，可以從趨勢線中看出它們的共同特點：其大體形狀是一個比較平緩的“S”型，在數據點的中部，曲線的趨勢接近一條水平。
直線(如圖1)。因此在曲線中部，峰值之差和位移的關系可以近似視為線性。這一性質可以被很好地利用在測距上。將中部直線截出，計算其大致的斜率。選取斜率最大的磁芯，其具有更好的精確度：相同微小位移量的改變可以對應幅度更大感應電動勢的峰值之差，更加符合我們“測微”的目標。
其次對主體部分進行測量數據的標定，通過測量線圈中的電流峰值變化與距離變化的數據，得到相關的函數關系，進而可以從電流的改變得到未知細小距離的變化(如圖2)。
通過此關系，我們每從數據采集卡中讀取到一個峰值之比的數據我們便可以得到實際微小位移。
3 儀器集成
儀器的集成屬于錦上添花的特點，前兩大部分已經實現了空心互感式測微電子秤的主要功能。前面為了方便儀器的調試和改良，電磁信號的激發以及數據的采樣、計算使用的是專用儀器信號發生器和數字示波器。為使儀器更加小巧精致，采用信號發生模塊來激發電磁場，采用Arduino芯片編程對數據進行采樣、分析，并且使用Arduino芯片控制液晶顯示屏顯示出計算結果。先前整個儀器由三大部分連接構成，笨重且使用不方便;經過兩個硬件芯片和液晶屏的加入，體積縮小到掌心大小長方體，但是功能以及精確度依舊得到了保持。
4 總結
此空心互感式測微電子秤運用了非常簡單的互感原理，制作成本低，工藝簡單，但是通過電磁信號的放大作用能夠非常精確地測量微小位移。并且以測量微小位移的功能為核心，可以開發出除測重以外的多種相關功能。“測微”是此器材的核心特點，“集成化”使該儀器攜帶方便，更加便于使用。
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