[发明专利]具有光电位置传感器的、基于磁力补偿原理的称量单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种秤或者称量单元，该秤或者称量单元基于磁力补偿原理并且包括光电位置传感器。

背景技术

电磁力补偿原理在用于商业、工业和实验室中的各种称重仪器中具有广泛应用。这个原理具有特别的优点，即利用它可以实现极好测量精确度的称重仪器。基于电磁力补偿原理的分析秤具有这样的能力，例如确定具有0.01毫克测量分辨率的100克称量负载，即具有一千万之一的精确度。

本发明涉及的这种秤或者称量单元具有：固定基底部分；负载接收器，它可移动地被约束到基底部分并且用来接收称量负载；永磁体系统，它优选地安装在基底部分和具有气隙；线圈，它可移动地悬在气隙中并且引导补偿电流的流动；及力传递机构，它把负载接收器连接到线圈上。传感器信号与移动距离相应的光电位置传感器典型地包括光源和光接收器，其中当该负载设定在负载接收器上时，秤的互连可移动部分与零位置相偏离该移动距离，该光接收器在最大多数情况下安装在基底部分上，并且在它们之间具有空间间隔；及光闸片，它切割通过空间间隔，并且参与可移动部分的偏移。位置传感器的信号被发送到控制器，该控制器在响应时以这样的方式调节补偿电流，即作为线圈和永磁体之间的电磁力的结果，光闸片和连接到光闸片上的秤的可移动部分返回到零位置。换句话说，该调节具有这样效果，即电磁补偿力抵消了称量负载。假定根据电磁学定律，线圈电流大小和合力相互成比例，那么通过测量线圈电流可以确定放置在负载接收器上的称量负载的重力。

在上面所述的领域内，本发明集中在光电位置传感器上、尤其是位置传感器的几何形状上，即构件在位置传感器装置内的相对尺寸和空间关系，该位置传感器装置包括光源、光接收器和光闸片。光接收器在大多数情况下包括具有至少一个光敏区域或者构件的光电二极管。光电二极管是半导体构件，该构件在暴露于光时产生电流，在一定范围内，该电流与入射光的量成比例。

光闸片常常具有狭缝形通道开口，但其它形状的、用来通过光的开口也是可能的，例如圆形孔或者伸长形孔洞。光接收器可以被配置成光电二极管的两个分开的光敏区域，这两个区域在微分电路装置中工作。当光闸片偏离它的零位置时，这将引起光接收器上的照明图像移动，因此这些光敏区域中的一个将接收更多的光，同时其他光敏区域接收的光较少。相应地，在光闸片的偏移位置上，由两个光敏区域所产生的各自电流相互不同，其中由两个光敏区域的微分电路布置所测得的电流差值代表光接收器的电输出信号、即位置传感器信号。该偏移和电位置传感器信号之间的函数关系也称为位置传感器的特性。

电磁补偿秤的位置传感器所不得不遇到的主要要求是，零位置即光闸片的具体位置(在该位置上，产生了传感器信号从负值到正值的零相交)需要最高精确度地和最高再现性地被保持。零点灵敏度即在其零相交处特性的倾斜度因此实际上应该尽可能地陡峭，从而纳米级的偏移量产生了明显的可测量的传感器信号。

此外，在光闸片的移动范围上所画出的传感器信号的图表、即位置传感器的特性，在同一生产过程内及还对于任何单独称量单元而言在后者例如受到温度波动、冲击或者震动时，从一个称量单元到下一个称量单元应该接近再现。

最后，作为另一个理想特性，位置传感器的特性利用良好近似法应遵随线性轮廓。尤其地，传感器信号应该与光闸片的偏移量成比例。传感器信号的直线性要求、更加具体地说是成比例要求在与电磁力补偿的控制电路有关的其它因素之中，该电磁力补偿的控制电路优选地设计成所谓的PID控制器，意味着补偿力和因此作为控制电路输出所产生的线圈电流表示与偏移量大小成比例的分量P、与偏移量的时间积分成比例的分量I和与偏移量的时间导数成比例的分量D的称量总和。为了确保线圈电流的三个分量P、I、D的各自比例，因此传感器信号显然应该尽可能与偏移量成比例。

将位置传感器视为光学投影系统的方法例如公开在CH463137中，其中电磁补偿秤被示成，平衡梁在一端具有悬着的称重盘，及在另一端具有带狭缝形通道开口的光闸片，该通道开口延伸到位于光源和光接收器之间的空间间隔内。光学系统用来改善或者提高光源的光学图像，该光学图像被投影到光接收器上，该光学系统在上述参考文献中的图1中以基本方式表示成透镜，该透镜各布置在光路中在光闸片之前和之后。但是，光学透镜在位置传感器光路中的这种装置需要合适地定尺寸，即通常较长的从光闸片到光源和到光接收器的距离，该要求尤其在紧凑的单片设计的称量单元中是不可能满足的。此外，该制造的成本被增加了。