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主题：【第七届原创】解剖MD100-1型电子天平，掌握称量不稳定处理方法

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发表于：2014/08/20 23:01:06 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

维权声明：本文为sc360xp原创作品，本作者与仪器信息网是该作品合法使用者，该作品暂不对外授权转载。其他任何网站、组织、单位或个人等将该作品在本站以外的任何媒体任何形式出现均属侵权违法行为，我们将追究法律责任。

解剖MD100-1型电子天平，掌握称量不稳定处理方法

相对于利用有几千年历史的杠杆原理制作的机械天平而言，人们对于电子天平的认识不外乎几十年，在国内的广泛应用也是近二十年的事。下面通过解剖国产MD100-1电磁平衡传感器电子天平，了解结构原理，掌握正确使用电子天平的方法，排除故障。

一、电子天平基本知识

1、电子天平分类

根据传感器的不同，电子天平有以下四类：
应变式传感器电子天平，电容式传感器电子天平，电感式电子天平，电磁平衡传感器电子天平。

电磁平衡传感器电子天平是利用电磁力平衡原理而制成的电子天平。这种天平的结构复杂、精度很高，可达二百万分之一以上的精度。其特点是称量准确可靠、显示快速清晰并且具有自动检测系统、简便的自动校准装置以及超载保护等装置。它是目前国际上高精度天平普遍采用的一种形式。

按电子天平的精度可分为以下六类：
超微量电子天平，微量天平，半微量天平，常量电子天平，分析天平，精密电子天平。

2、电子天平结构
目前应用的主要有顶部承载式(吊挂单盘)和底部承重式(上皿式)两种：

3、电磁平衡式电子天平的称量原理
机械天平是用加码或减码的方法与被称物质量相平衡，而电子天平在测定被称物的质量时不用砝码，采用磁力平衡原理。

根据电磁学原理，把通电导线放在磁场中时，导线将产生电磁力，力的方向可以用“左手定则”来判定。磁场强度不变时，力的大小与流过线圈的电流强度成正比。

电磁平衡式电子天平内部机械结构示意图如下：

电子天平的秤盘通过支架连杆、称重立柱、梁杆与线圈架相连，线圈置于磁场中。秤盘及被称物体的重力作用于线圈上，方向向下；控制系统给线圈通电流后，产生一个向上的电磁力（F）将被称物体向上托起恢复到原位置；线圈电流的大小与被称物体的质量成正比，当二者平衡后，系统维持该电流；当移开被称物体后，重力消失，控制系统对线圈断电，在弹性簧片的作用下，使秤盘支架回复到原来的位置。

以上称量过程，称为零位测定法。天平有一个位移传感器处于预定的中心位置，当秤盘上放有物体时，位移传感器检出位移信号，经PID调节器和放大器改变线圈中流过的电流、电磁力的大小及方向向上，并与之相平衡，直至线圈回到中心位置为止。通过线圈的电流经高精度取样电阻转换成电压信号，经A/D转换器变成数字量送入CPU进行处理，最后由数显屏显示出物体的质量。

二、拆机过程
这是一台上海天平仪器厂生产的电磁平衡传感器电子天平，放在杂物间长期没用，不知道好坏：

铭牌，型号MD100-1，上海天平仪器厂1994年8月生产：

天平背面，有电源插座、保险管、信号接口，散热板很醒目：

500mA电源保险管，整机消耗电功率不大：

两个镀银插口，目前这种规格很少见到了：

铸铝底座，很结实：

打开底座上的这个盖板，里面是称重立柱底部挂钩，可以悬浮称量：

察看机器四周，只在散热器上看见三颗固定螺丝，旋下：

散热器内部固定了给机器供电的三端直流线性稳压器和传感器线圈电流的功率管，此时，仍然无法取下外壳：

到称样室去察看，取下不锈钢秤盘：

再取下秤盘支架：

孔内是称重支杆：

整个天平外部找不到外壳打开点，经过一番思索，试试用手拉开称量室的不锈钢板：

看见有5颗螺丝，只有中间一颗是外壳固定螺丝：

旋下外壳唯一的固定螺丝：

小心移开外壳：

天平内部各部位名称：

（未完，楼下继续！）

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2014/8/20 23:04:15 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

（接楼上）

三、天平的组成、电路分析
绘制该天平系统框图，由机械与电路两部分组成：

（一）天平的组成
1、秤盘。
2、传感器：是电子天平的关键部件之一，由外壳、磁钢、极靴和线圈等组成，装在秤盘的下方。
3、位置检测器：由红外发光管和光电二极管、遮光片组成。
4、PID 调节器：控制系统中的一种调节器，制造天平时，按照设计要求设置它的电参数（P比例、I积分、D微分），使传感器通电后快速而稳定地工作。
5、功率放大器：其作用是将微弱的信号进行放大，以保证天平的精度和工作要求。
6、低通滤波器：它的作用是排除外界和某些电器元件产生的高频信号干扰。
7、模数 (A/D) 转换器：将输入模拟电信号采样转换成数字信号，便于微机处理。早期由单元电路构成，现在通常由单片IC组成。
8、微机：它是电子天平的数据处理部件，它具有记忆、计算和查表等功能。早期由最小单元电路构成，现在通常由单片MCU组成。
9、显示器：早期使用真空荧光显示屏（VFD）显示器，现在广泛使用液晶显示器。
10、气泡平衡仪(水平泡)：作用是便于工作中判断并调整天平水平位置。
11、底脚：电子天平的支撑部件，同时也是调节水平位置的部件。
12、机壳。

（二）天平的电路分析
1、电源电路
该天平的操作杆控制机内的电源开关，首次压下操作杆，会将机内电源开关向上打开，此后，当再次压下操作杆，会触发清零微动开关；当抬起操作杆，就将机内电源开关向下关闭：

这个是电源电压等级（110V，220V）切换开关，年代久远，塑料外壳粉碎了，以前维修用铁丝捆扎的：

采用工频电源变压器，初级绕组为110V+110V，可接110V或220V电源，有屏蔽层；次级绕组有9V、23V、32V：

9V、23V、32V的三个整流桥及滤波电容：

本机电路板上的电解电容都采用BH牌：

为了散热及减小电源发热的影响，将给机器供电的三组三端直流线性稳压器及给线圈供电流的功率管固定在机外散热器内部：
两组三端稳压器7805，分别提供5V稳压电源；一组SW7924C是双极型三端固定负电压集成稳压器, 输出电压=-24V，为荧光显示器提供电源；
另外两只D651B是控制线圈电流的达林顿功率管：

2、称量传感器
四周用铝框隔离，磁缸上下各有一片V型支架（簧片架）：

移开铝框，传感器的全貌：

V型支架采用中间薄两头厚的恒弹性簧片作为弹性支点，如果经常超载或不当使用，会造成簧片变形无法恢复，常常出现同一砝码多次称量结果都不同故障：

簧片的微距照片：

受化学样品和潮气的侵蚀，有些机件腐蚀了：

为了减少对线圈运动的阻尼，线圈的引出线采用游丝：

调校机构：

由于操作不小心，掉入内部的“样品”：

由于密封不严，钻入内部的小昆虫：

3、位移传感器
位移传感器在传感器后部，是光电二极管收、发电路：

遮光片插在光路槽中：

这是安装在光路槽一侧的光敏二极管：

将光敏二极管拉出来，看得更清楚一些：

4、前级电路及PID调节电路

拔下电路板上的连接插线：

取下电路板：

黑色散热器内是两只精密取样电阻：

白色圆形LM299AH是+6.95V的高稳定基准电压电路；旁边的黑色IC型号为UA741CP，是高增益运放；5只铝壳的精密线绕电阻精度为±0.1%：

金封的圆形5G28B是早期的高输入阻抗运放，用于信号输入首级电路；3CG23B是中功率硅PNP高频三极管，旁边的金封小圆形三极管是3DG6B，常用的小功率硅NPN高频三极管:

两只UA741CP高增益运放：

看印刷电路板上的标记，这个型号天平的电路板是1982年2月18日设计的，使用到1994年都未改进：

(未完，楼下继续！）

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2014/8/20 23:55:44 Last edit by sc360xp

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2014/8/20 23:11:42 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

（接楼上）

5、主电路板
左上角是显示电路板，左下角是三个电源整流桥及滤波电容，其余元件组成最小微机单元：

微处理器，CPU采用zilog公司（当年大名鼎鼎的公司）制造的 8 位微处理器Z80，主频为2.5 MHz，与英特尔公司出产的8080微处理器的代码兼容。Z80可执行为8080所写的CP/M操作系统，所以过去在apple II兼容机盛行的年代，很多人都爱在电脑内加装Z80扩充卡，并透过它来运行WordStar、VisiCalc等商业软件。

4.9152MHz晶振，分频后提供微机时钟用：

HM6116P-3是16K静态存储器；AT28C04是4K的EEPROM；贴红纸的IC是可擦写只读存储器（本机固件）：

HD74LS138P是译码器，为数码显示单元提供地址；HD74LS04P是六反相器：

下面是各种数字逻辑IC：

输入\输出信号接口电路
该天平有两个信号接口，日期显示这个主电路板是1986年4月18日设计的：

接口IC是Z80 PIO，zilog公司的可编程芯片，它具有2个独立的八位二进制平行输入/输出口：

6、显示电路
采用真空荧光显示屏VFD作显示：

将显示电路板从主电路板上拔下来：

显示板正面，这个电路板是1986年5月18日设计的：

显示板背面的元件，SN74LS273N是8位数据/地址锁存器（8D触发器）控制显示：

那一排A673是硅PNP小功率三极管，驱动VFD显示：

（三）天平工作的程序

四、简单的称重实验
清除机内的灰尘、样品残渣、机件氧化物后，细心装还原。

插上电源，压下操作杆，机器开机自检：

自检完，机器状态良好，处于待机状态：

该天平随机的砝码：

200mg砝码在秤盘中心的称量：200mg

200mg砝码在秤盘四个象限的称量：都是200mg

存在问题：单一放置5mg砝码在秤盘上，没有重量显示，灵敏度有问题？仪器太老了，没查到使用手则，不知道最低称量是多少，与其他砝码放在一起称，有5mg的感量显示。

20年过去了，能有这个结果，说明天平质量还不错，作为工厂普通化工测量够用了。

将操作杆向上抬起，关机：

五、常见的称量不稳定故障的解决方法
通过拆解，可以看出电子天平是精密的机电仪表，比较娇气，操作规程要求较多。在使用中常常碰到的问题是称量结果不稳定，许多是环境和操作的问题，不一定是硬件故障。下面归纳了几种常见的称量结果不稳定的情况：

（1）天平放置的位置不合理
天平在使用的时，应将门窗关闭。如果有风吹，或者实验台上放有其他有震动产生的仪器，都会使电子天平的读数不稳定。要注意附近基建施工打桩、隔壁装修造成的震动影响。
（2）测试中样品的水份增加或丢失
有些样品具有挥发性或者吸湿性较强，造成在测试时样品的质量不断增加或减少，面对这种情况，解决办法是使用口径很小的器皿。减小样品的挥发和吸潮，同时操作时间要短，使称量结果更加准确。
（3）样品和容器的温度
温度对电子天平称量的结果影响是很大的，所以电子天平一般都要在恒温恒湿的房间里工作，预热时间要足够。而刚拿到实验室的样品或容器由于其温度和电子天平的环境温度相差太多而读数不稳定。有些高端天平一般会有全自动校准，如果是外校的天平，在温度发生变化时则需要人工校准。
（4）样品和容器的静电现象
静电现象也可能造成电子天平的称量不稳定。具有高绝缘度的材料(大多数玻璃或塑料制的称重容器)都容易带静电，在允许的情况下，使用金属器皿。如果静电现象一直无法消除，还需要检查一下仪器的接地线是否接好。
（5）样品或容器被磁化
样品和容器的磁化都可能让天平误以为其所承受的磁力是来自于样品的重力。所以我们在使用铁器皿时要经常进行消磁的操作。平时要避免强磁场靠近电子天平。秤强磁性物质要使用非电磁类型的天平。
（6）手机等电磁波发射源的影响不容忽视。
实践证明，高精度电子天平工作时，手机靠的太近，会对测量结果有干扰（本天平工作时，手机拨号并靠近，有1mg的数值干扰）。电子天平室内应禁止使用手机，不能安放电磁炉、微波炉、超声波清洗机等电磁辐射较大的电器，应远离通讯基站。
另外，电子天平是将被称物的质量产生的重力通过传感器转换成电信号来表示被称物的质量。称量结果实质上是被称物重力的大小，故与重力加速度g有关，称量值随纬度的增高而增加。例如在北京用电子天平称量100g的物体，到了广州，如果不对电子天平进行校准，称量值将减少137.86mg。称量值还随海拔的升高而减小，曾有网友对比了1楼与4楼（高出10米）的称量，同样200g的砝码，4楼的重量减少了0.00063g。因此，电子天平在安装后或移动位置后必须进行校准。

结束语：
拆机的MD100-1型电子天平属于国产早期的产品，局限于当时的工艺条件，功能简单、精密度不够高。现在的电子天平在整体机械结构、零件材料运用、温度补偿、内校、算法等方面有很大进步，达到了相当高的水平，但电磁平衡传感器基本原理相同。
电子天平机芯的金属材料有热胀冷缩的现象，磁钢随时间有退磁问题，电子元件也有一个逐渐老化变质过程，这些都是天平出现温漂和时漂的原因。好的电子天平在系统设计、材质选择时，会将误差控制在合理的范围内。当普通的调校无法排除漂移故障时，应考虑这些深层次原因，这是高级专业维修人员才能解决的问题，或机器已陈旧没有维修价值、直接更换新仪器。

电子天平是高精密机电仪器，应按说明书要求安装，操作人员必须掌握相应的操作知识才能上机。当出现不能开机，显示屏缺笔画，数值大幅度跳动，测量长期失准，可以判断是硬件故障，一般不要自行拆机（特别是机械结构不要轻易调整），应送专业人员维修，避免扩大故障。对于烧保险故障，可换原规格保险管开一次机，若再次烧保险，务必请专业人员检修。

（后补：有坛友希望拆一个新的天平，看看内部结构。新的不能拆，我收集的梅特勒托利多ME203电子天平结构图片发在36楼，感兴趣的坛友可去看看。）

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2014/8/29 22:01:20 Last edit by sc360xp