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(xiàn)象制成的小型集成化的電子精細(xì)測量儀器。其核心的測量機(jī)制便是電磁互感現(xiàn)象，并通過信號發(fā)生器模塊產(chǎn)生磁場激發(fā)信號，Arduino硬件對實(shí)時測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、處理、分析、計算，進(jìn)而將由微小重量所引起的微小位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯蟮碾娦盘?，從而?shí)現(xiàn)對微小變化的精細(xì)測量。除測量具有高精度的特點(diǎn)外，信號發(fā)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(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)了攜帶方便的特點(diǎn)。

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(chǎn)生的磁通有一部分與第二只線圈相環(huán)鏈。當(dāng)?shù)谝恢痪€圈中的電流發(fā)生變化時，則其與第二只線圈環(huán)鏈的磁通也會發(fā)生變化，從而在第二只線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且能夠測量到相應(yīng)的感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象就叫做互感現(xiàn)象?？招幕ジ惺綔y微電子秤便是基于這一簡單原理制成的?？招幕ジ惺綔y微電子秤主體部分為三個參數(shù)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(fā)生模塊電流振蕩產(chǎn)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(yīng)電流峰值的大小。重量所引起的微小位移量轉(zhuǎn)變?yōu)榇判镜奈⑿∥灰屏浚ジ鞋F(xiàn)象使電信號對此微小量進(jìn)行首次放大，而兩個線圈的設(shè)計采用則可以將信號進(jìn)一步擴(kuò)大：預(yù)實(shí)驗(yàn)時我們采取兩個線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電流峰值之差為因變量，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，為了更好地體現(xiàn)相位的改變等特點(diǎn)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(xì)

確定空心互感式測微電子秤主體部分后，需要將其設(shè)計進(jìn)一步精細(xì)，達(dá)到其功能的實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)的過程中先使用信號發(fā)生器和數(shù)字示波器來代替信號發(fā)生器模塊和Arduino芯片。首先對軸心處的磁芯進(jìn)行篩選，改變線圈中央磁芯的長度改變線圈的互感系數(shù)，確定最適合測微的磁芯種類。將不同長度磁芯的測量數(shù)據(jù)擬合作圖，可以從趨勢線中看出它們的共同特點(diǎn)：其大體形狀是一個比較平緩的“S”型，在數(shù)據(jù)點(diǎn)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(guān)系可以近似視為線性。這一性質(zhì)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(yīng)幅度更大感應(yīng)電動勢的峰值之差，更加符合我們測微的目標(biāo)。

其次對主體部分進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的標(biāo)定，通過測量線圈中的電流峰值變化與距離變化的數(shù)據(jù)，得到相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而可以從電流的改變得到未知細(xì)小距離的變化(如圖2)。

通過此關(guān)系，我們每從數(shù)據(jù)采集卡中讀取到一個峰值之比的數(shù)據(jù)我們便可以得到實(shí)際微小位移。

3 .儀器集成

儀器的集成屬于錦上添花的特點(diǎn)，前兩大部分已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(diào)試和改良，電磁信號的激發(fā)以及數(shù)據(jù)的采樣、計算使用的是專用儀器信號發(fā)生器和數(shù)字示波器。為使儀器更加小巧精致，采用信號發(fā)生模塊來激發(fā)電磁場，采用Arduino芯片編程對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果。先前整個儀器由三大部分連接構(gòu)成，笨重且使用不方便;經(jīng)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(jié)

此空心互感式測微電子秤運(yùn)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(fā)出除測重以外的多種相關(guān)功能。測微是此器材的核心特點(diǎn)，集成化使該儀器攜帶方便，更加便于使用。