物理实验第２１卷第９期
制作磁悬浮天平的设想
高永全Ｄ王晓光２’
（１）华北工学院太原０３００５１；２）广灵县第三中学山西广灵０３７５００）
摘
要：设想用磁场力悬浮天平刀口，以减小刀口摩擦力；用光放大和光电电位器检测平衡位置．用灵敏电流
计的电流大小和指针偏转方向确定天平平衡状况．上述设想可提高天平的灵敏度．
关键词：天平；磁悬浮力；光电电位器；灵敏电流计
Ｍａｇｎｅｔｉｃｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂａｌａｎｃｅ
ＧＡＯＹｏｎｇ—・ｑｕａｎ
ＷＡＮＧ
Ｘｉａｏ——ｇｕａｎｇ
（１）Ｎｏｒｔｈ—ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５１；
２）Ｎｏ．３ＭｉｄｄｌｅＳｃｈｏｏｌｏｆＧｕａｎｇｌｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ，０３７５００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｕｓｅ
ｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｅｄｇｅ
ａｒｅ
ｃａｎｔＯ
ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ
ｏｐｔｉｃａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｈｏｔｏｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ
ｓｔａｔｅ
ｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅ
ｃａｎ
ｕｓｅｄ
ｃｈｅｃｋｔｈｅｂａｌａｎｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎ。Ｔｈｅｂａｌａｎｃｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｖａｌｕｅａｎｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅａｂｏｖｅｉｍａｇ—
ｉｎａｔｉｏｎｓ
ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｂａｌａｎｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｌａｎｃｅ；ｍａｇｎｅｔｉｃｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｆｏｒｃｅ；ｐｈｏｔｏｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ；ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ
天平的测量精度与刀口的摩擦力有关，因
电位器９上．此时，由于光标在电位器中央，故此时电位器输出电压为零，灵敏电流计电流为零．当天平不平衡时，如图１中光标照到Ａ位
此天平的设计最多考虑的是刀口的摩擦问题．
因为刀口越尖，摩擦越小，精度越高，其最大载荷也越小，当载荷量大且要求高精度时，一般天
平就不能满足测量要求．为此设想采用磁悬浮刀口可能解决上述问题．
将天平横梁刀口设计为圆柱磁场，支承刀口面设计成半圆形磁场凹面，二者极性相同．利用磁力使刀口悬浮于支承面的磁场中，从而使
刀口与支承面的摩擦力减小到最小．
图１为磁悬浮天平示意图．测量时，旋转开
关旋钮１５，支架１４放开横梁．同时电磁场８通电，从而使其产生与永久磁极磁性相同的磁场．
这样在两同极性磁场的作用下，横梁就悬浮在
半圆柱面均匀磁场中，从而使底座与横梁保持
非接触支撑．此时若天平平衡，则由光源１０来的光线经光标１１后变为狭缝光标，光标照射到
图１磁悬浮天平示意图
１．调节螺钉２．底座３．盘架４．阻尼器５．秤盘６．横梁７．均匀永久磁场８．均匀半圆面磁场
９．光电电位器１０．光源１１．光标透镜１２．反射镜１３．游码１４．支架１５．开关旋钮
与横梁平行（水平）的反射镜上，再反射到光电
万方数据
物理实验第２ｌ卷第９期
置．根据光反射原理、弧０Ａ所对应的角度为反射镜偏离水平角度的２倍．故采用光反射法，能
将普通指针偏转角放大ｌ倍．
图２所示为光反射法放大偏转角的光路图，由于光反射使偏转角放大，故天平的灵敏度
，、
也得到相应的提高．弧ＡＯ的长度决定输出电压的大小．由输出电压的大小就决定了灵敏电流
计上电流的大小．Ａ点偏转方向（即在０点的左或右）决定了电压的正、负，也就决定了灵敏电流计的偏转方向．
器
图２放大偏转角光路图
为了使横梁受力更合理，采用双半圆磁场．为了防止轴向窜动，在圆柱刀口两端加同极性
的磁极，使刀口保持稳定磁悬浮状态，图３为圆
柱刀口在半圆磁场中的状况。由于反射镜在两
半圆磁场中间，故天平不会因反射镜的质量使磁悬浮力产生力矩差，从而更好地消除了其摩
擦力．
蚺动磁蚴
反射
图３半圆磁场中的圆柱刀口
由于圆柱刀口上分布均匀的永久磁场，故
刀口在绕圆柱中心转动时其左右受力相互抵
消，其合力方向和大小一直保持恒定．图４所示
为磁悬浮受力图，其合力Ｆ的最大悬浮力应大于横梁及附件的总质量加上２倍的最大载荷质
万
方数据４７
量所产生的重力．这样就能使圆柱刀口在半圆
支撑面内完全悬浮起来．
图４磁悬浮受力图
光电电位器的结构如图５所示．由薄膜电阻带１、光电导层２、导电电极３组成．首先在基体５上沉积一层硫化镉（ＣｄＳ）光电导层２，然后
再在其上沉积一条金属导电条（金或银）作为导
电电极，沉积一条薄膜电阻带１；在电阻带和电
极之间留有一定的间隙，电刷的窄光束４就照在间隙上，由于间隙中的光导材料的亮电阻与暗电阻之比值可达１０６～１０８，故当窄光束照到
间隙上时，就相当于把电阻带和导电电极接通，
在外施电源Ｅ的情况下，负载电阻Ｒ。上便有电压输出．这样，负载电阻Ｒ。上的输出电压随
光束的位置而改变．
图５光电电位器结构图
１．薄膜电阻２．光电导层３．导电电极４．光标５．基体
如果将电阻膜从中间０７位置断开就形成
两个光电电位器．如图６所示，当光标在Ａ位置时，灵敏电流计中的电流方向由下到上流过；当光标在Ａ。位置时，断开左边电位器，接通右
边电位器，此时电流从上向下流过灵敏电流计．故灵敏电流计在光标不同的位偏向有不同的电流方向．故可根据电流方向确定天平的偏向，
物理实验第２１卷第９期
厶Ｚ；讯
全国高等学校物理实验教学研讨会
第一轮通知
根据教育部高教司（２００１３１２０号通知，为推动我国高等学校物理实验教学改革的深入进行，促进校际问经验交流及优秀成果推广，决定由教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会主办、武汉大学承办全国高等学校物理实验教学研讨会，现将会议有关事宜通知如下：
１．会议内容：
（１）关于在高等教育改革新形势下，建立新的物理实验课程教学体系的探讨；
（２）关于物理实验教学方法、内容、手段的探讨；
（３）关于物理实验中心管理体制改革的探讨；
（４）关于物理实验教学的新发展及国外相关情况的介绍．
（５）本次会议是首次全国理、工科实验物理教学研讨会，为促进实验教学改革工作的深入进行，本次会议上将成立全国高校实验物理研究会．
（６）会议欢迎各公司、企事业单位到会展示新的仪器设备，发布信息．有关具体事宜请与武汉大
学物理科学与技术学院金明桥同志联系．电话：（０２７）８７６８２９６９（０），（０２７）８７６４１７７４（Ｈ）．
２．时间：２００１年１１月９日——１１月１１日．
地点：武汉大学物理科学与技术学院．
３．会议准备出版论文集，论文版面限Ａ４纸张２面，具体打印规格见第二轮通知．４．会议联系人：赵小敏，联系地址：武汉大学物理科学与技术学院办公室，邮编：４３００７２，
传真：８７６５４５６９，电话：（０２７）８７６８２９６９或８７６８２９７９（办）．
高等学校物理学与天文学教学指导委员会
武汉大学物理科学与技术学院
２００１年８月２０日
根据电流的大小决定增减法码．当天平平衡时，光标在正中，故灵敏电流计与两电位器都不通，
电流为０．当天平严重失衡时，横梁会被刀架架
当光标打在与圆柱刀口转轴同心圆的电位器边
沿时，表示天平严重失衡，需作大的质量增减．
通过以上设想，采用磁悬浮可能使天平精
度进一步提高．参考文献
１严钟豪主编．非电量电测技术．北京：高等教育出
版社，１９８３．２２１～２２６
２刘迎春主编．传感器原理设计与应用．长沙：国防
科技大学出版社．１９８９．６０～６１
（２００１—０１．１２收稿。２００１—０４—２８收修改稿）
起，而使光标最大偏角不会越过电位器两边．故
图６两个光电电位器
万方数据
制作磁悬浮天平的设想
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
高永全， 王晓光
高永全(华北工学院,太原,030051)， 王晓光(广灵县第三中学,山西,广灵,037500)物理实验
PHYSICS EXPERIMENTATION2001，21(9)0次
参考文献(2条)
1.严钟豪 非电量电测技术 19832.刘迎春 传感器原理设计与应用 1989
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_wlsy200109020.aspx
授权使用：中国科学院山西煤炭化学研究所(zkysxmthx)，授权号：c528a672-30ff-454d-9c2d-9ea9015a218d
下载时间：2011年3月17日
物理实验第２１卷第９期
制作磁悬浮天平的设想
高永全Ｄ王晓光２’
（１）华北工学院太原０３００５１；２）广灵县第三中学山西广灵０３７５００）
摘
要：设想用磁场力悬浮天平刀口，以减小刀口摩擦力；用光放大和光电电位器检测平衡位置．用灵敏电流
计的电流大小和指针偏转方向确定天平平衡状况．上述设想可提高天平的灵敏度．
关键词：天平；磁悬浮力；光电电位器；灵敏电流计
Ｍａｇｎｅｔｉｃｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｂａｌａｎｃｅ
ＧＡＯＹｏｎｇ—・ｑｕａｎ
ＷＡＮＧ
Ｘｉａｏ——ｇｕａｎｇ
（１）Ｎｏｒｔｈ—ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５１；
２）Ｎｏ．３ＭｉｄｄｌｅＳｃｈｏｏｌｏｆＧｕａｎｇｌｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａｎｘｉ，０３７５００）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
ｕｓｅ
ｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｅｄｇｅ
ａｒｅ
ｃａｎｔＯ
ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅ．Ｔｈｅ
ｏｐｔｉｃａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｈｏｔｏｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ
ｓｔａｔｅ
ｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅ
ｃａｎ
ｕｓｅｄ
ｃｈｅｃｋｔｈｅｂａｌａｎｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎ。Ｔｈｅｂａｌａｎｃｅ
ｃｕｒｒｅｎｔ
ｖａｌｕｅａｎｄｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅａｂｏｖｅｉｍａｇ—
ｉｎａｔｉｏｎｓ
ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｂａｌａｎｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｌａｎｃｅ；ｍａｇｎｅｔｉｃｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｆｏｒｃｅ；ｐｈｏｔｏｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ；ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ
天平的测量精度与刀口的摩擦力有关，因
电位器９上．此时，由于光标在电位器中央，故此时电位器输出电压为零，灵敏电流计电流为零．当天平不平衡时，如图１中光标照到Ａ位
此天平的设计最多考虑的是刀口的摩擦问题．
因为刀口越尖，摩擦越小，精度越高，其最大载荷也越小，当载荷量大且要求高精度时，一般天
平就不能满足测量要求．为此设想采用磁悬浮刀口可能解决上述问题．
将天平横梁刀口设计为圆柱磁场，支承刀口面设计成半圆形磁场凹面，二者极性相同．利用磁力使刀口悬浮于支承面的磁场中，从而使
刀口与支承面的摩擦力减小到最小．
图１为磁悬浮天平示意图．测量时，旋转开
关旋钮１５，支架１４放开横梁．同时电磁场８通电，从而使其产生与永久磁极磁性相同的磁场．
这样在两同极性磁场的作用下，横梁就悬浮在
半圆柱面均匀磁场中，从而使底座与横梁保持
非接触支撑．此时若天平平衡，则由光源１０来的光线经光标１１后变为狭缝光标，光标照射到
图１磁悬浮天平示意图
１．调节螺钉２．底座３．盘架４．阻尼器５．秤盘６．横梁７．均匀永久磁场８．均匀半圆面磁场
９．光电电位器１０．光源１１．光标透镜１２．反射镜１３．游码１４．支架１５．开关旋钮
与横梁平行（水平）的反射镜上，再反射到光电
万方数据
物理实验第２ｌ卷第９期
置．根据光反射原理、弧０Ａ所对应的角度为反射镜偏离水平角度的２倍．故采用光反射法，能
将普通指针偏转角放大ｌ倍．
图２所示为光反射法放大偏转角的光路图，由于光反射使偏转角放大，故天平的灵敏度
，、
也得到相应的提高．弧ＡＯ的长度决定输出电压的大小．由输出电压的大小就决定了灵敏电流
计上电流的大小．Ａ点偏转方向（即在０点的左或右）决定了电压的正、负，也就决定了灵敏电流计的偏转方向．
器
图２放大偏转角光路图
为了使横梁受力更合理，采用双半圆磁场．为了防止轴向窜动，在圆柱刀口两端加同极性
的磁极，使刀口保持稳定磁悬浮状态，图３为圆
柱刀口在半圆磁场中的状况。由于反射镜在两
半圆磁场中间，故天平不会因反射镜的质量使磁悬浮力产生力矩差，从而更好地消除了其摩
擦力．
蚺动磁蚴
反射
图３半圆磁场中的圆柱刀口
由于圆柱刀口上分布均匀的永久磁场，故
刀口在绕圆柱中心转动时其左右受力相互抵
消，其合力方向和大小一直保持恒定．图４所示
为磁悬浮受力图，其合力Ｆ的最大悬浮力应大于横梁及附件的总质量加上２倍的最大载荷质
万
方数据４７
量所产生的重力．这样就能使圆柱刀口在半圆
支撑面内完全悬浮起来．
图４磁悬浮受力图
光电电位器的结构如图５所示．由薄膜电阻带１、光电导层２、导电电极３组成．首先在基体５上沉积一层硫化镉（ＣｄＳ）光电导层２，然后
再在其上沉积一条金属导电条（金或银）作为导
电电极，沉积一条薄膜电阻带１；在电阻带和电
极之间留有一定的间隙，电刷的窄光束４就照在间隙上，由于间隙中的光导材料的亮电阻与暗电阻之比值可达１０６～１０８，故当窄光束照到
间隙上时，就相当于把电阻带和导电电极接通，
在外施电源Ｅ的情况下，负载电阻Ｒ。上便有电压输出．这样，负载电阻Ｒ。上的输出电压随
光束的位置而改变．
图５光电电位器结构图
１．薄膜电阻２．光电导层３．导电电极４．光标５．基体
如果将电阻膜从中间０７位置断开就形成
两个光电电位器．如图６所示，当光标在Ａ位置时，灵敏电流计中的电流方向由下到上流过；当光标在Ａ。位置时，断开左边电位器，接通右
边电位器，此时电流从上向下流过灵敏电流计．故灵敏电流计在光标不同的位偏向有不同的电流方向．故可根据电流方向确定天平的偏向，
物理实验第２１卷第９期
厶Ｚ；讯
全国高等学校物理实验教学研讨会
第一轮通知
根据教育部高教司（２００１３１２０号通知，为推动我国高等学校物理实验教学改革的深入进行，促进校际问经验交流及优秀成果推广，决定由教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会主办、武汉大学承办全国高等学校物理实验教学研讨会，现将会议有关事宜通知如下：
１．会议内容：
（１）关于在高等教育改革新形势下，建立新的物理实验课程教学体系的探讨；
（２）关于物理实验教学方法、内容、手段的探讨；
（３）关于物理实验中心管理体制改革的探讨；
（４）关于物理实验教学的新发展及国外相关情况的介绍．
（５）本次会议是首次全国理、工科实验物理教学研讨会，为促进实验教学改革工作的深入进行，本次会议上将成立全国高校实验物理研究会．
（６）会议欢迎各公司、企事业单位到会展示新的仪器设备，发布信息．有关具体事宜请与武汉大
学物理科学与技术学院金明桥同志联系．电话：（０２７）８７６８２９６９（０），（０２７）８７６４１７７４（Ｈ）．
２．时间：２００１年１１月９日——１１月１１日．
地点：武汉大学物理科学与技术学院．
３．会议准备出版论文集，论文版面限Ａ４纸张２面，具体打印规格见第二轮通知．４．会议联系人：赵小敏，联系地址：武汉大学物理科学与技术学院办公室，邮编：４３００７２，
传真：８７６５４５６９，电话：（０２７）８７６８２９６９或８７６８２９７９（办）．
高等学校物理学与天文学教学指导委员会
武汉大学物理科学与技术学院
２００１年８月２０日
根据电流的大小决定增减法码．当天平平衡时，光标在正中，故灵敏电流计与两电位器都不通，
电流为０．当天平严重失衡时，横梁会被刀架架
当光标打在与圆柱刀口转轴同心圆的电位器边
沿时，表示天平严重失衡，需作大的质量增减．
通过以上设想，采用磁悬浮可能使天平精
度进一步提高．参考文献
１严钟豪主编．非电量电测技术．北京：高等教育出
版社，１９８３．２２１～２２６
２刘迎春主编．传感器原理设计与应用．长沙：国防
科技大学出版社．１９８９．６０～６１
（２００１—０１．１２收稿。２００１—０４—２８收修改稿）
起，而使光标最大偏角不会越过电位器两边．故
图６两个光电电位器
万方数据
制作磁悬浮天平的设想
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
高永全， 王晓光
高永全(华北工学院,太原,030051)， 王晓光(广灵县第三中学,山西,广灵,037500)物理实验
PHYSICS EXPERIMENTATION2001，21(9)0次
参考文献(2条)
1.严钟豪 非电量电测技术 19832.刘迎春 传感器原理设计与应用 1989
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_wlsy200109020.aspx
授权使用：中国科学院山西煤炭化学研究所(zkysxmthx)，授权号：c528a672-30ff-454d-9c2d-9ea9015a218d
下载时间：2011年3月17日