專利名稱：電子秤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密電子秤，特別是那種包含有帶有可產(chǎn)生一個(gè)與被稱量物體重量相平衡的力的電磁力轉(zhuǎn)換器的伺服系統(tǒng)的電子秤。
在這種電子秤中，電磁力轉(zhuǎn)換器或是在穩(wěn)定的直流電流下或是在脈沖電流下進(jìn)行工作，且當(dāng)伺服系統(tǒng)進(jìn)入并保持在某平衡狀態(tài)時(shí)，由它提供給力轉(zhuǎn)換器的“平衡電流”決定著被稱物體的重量。如果該平衡電流是穩(wěn)定的直流電流，則其電流值與物體重量值相對(duì)應(yīng);如果該平衡電流是脈沖電流，則物體重量可由占空系數(shù)或脈沖寬度給出。
若使用穩(wěn)定的直流電流，因?yàn)闇y(cè)量是通過對(duì)電流值的數(shù)字化處理而實(shí)現(xiàn)的，故對(duì)電流的精密測(cè)量需要有高分辨力AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。但是，高分辨力AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的使用，不僅會(huì)提高秤的價(jià)格，而且往往還使秤完成其一個(gè)重量測(cè)量的操作時(shí)間相對(duì)較長。而且，整個(gè)伺服系統(tǒng)必須要在長時(shí)間內(nèi)保持非常好的穩(wěn)定，以滿足測(cè)量需要。
若力轉(zhuǎn)換器是在脈沖電流驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行，則脈沖的占空系數(shù)將隨對(duì)重量的平衡狀態(tài)而變化，并將通過測(cè)量可給出占空系數(shù)的脈沖寬度來測(cè)定物體的重量。這一測(cè)量是通過對(duì)包含在與該脈沖寬度相同的時(shí)間間隔內(nèi)的時(shí)鐘脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)而實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，脈沖電流的周期必須保持為2毫秒或是更短的時(shí)間，以避免秤發(fā)生振動(dòng)。若使用30MHz的時(shí)鐘脈沖，則時(shí)鐘脈沖在這一脈沖寬度內(nèi)可計(jì)數(shù)的數(shù)目的最大限定為60，000(16位二進(jìn)制數(shù)位)，因而難于獲得高分辨精度的稱量值。這一可計(jì)數(shù)的最大數(shù)目還相當(dāng)于現(xiàn)有的商業(yè)計(jì)數(shù)器的集成電路的容量。盡管，比如說，已公開的日本專利No54-48277中已提出了克服、由對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)的限制所產(chǎn)生的缺點(diǎn)的方法，但由于該申請(qǐng)所公開的技術(shù)包含有積分處理技術(shù)，從而使得秤的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。
現(xiàn)有的另一種改進(jìn)的方法是，采用伺服系統(tǒng)以進(jìn)行微調(diào)，并采用一個(gè)系列脈沖電流源以產(chǎn)生其脈沖寬度彼此不連續(xù)的若干個(gè)脈沖電流。物體的重量先由上述若干脈沖電流中的一個(gè)近似進(jìn)行平衡，其重量的差額然后再通過伺服系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)修正。這種方法也有一個(gè)缺點(diǎn)，即在稱量過程中，比如說，在稱量某些物品時(shí)，若施加在秤上的重量負(fù)載發(fā)生連續(xù)地或突然地變化時(shí)，則由于伺服系統(tǒng)中的PID控制回路的響應(yīng)特性，可能會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)性的對(duì)脈沖電流的錯(cuò)誤選擇，進(jìn)而往往使秤發(fā)生過擺(overswing)，使重量值的顯示有較大波動(dòng)。
本發(fā)明的目的之一是提供一種與常規(guī)電子秤相比在響應(yīng)速度及分辨能力兩方面均有所改進(jìn)的電子秤。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是改進(jìn)電子秤的結(jié)構(gòu)，使其可顯示重量值，可保持穩(wěn)定，并可以抗外界干擾。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明電子秤中的伺服系統(tǒng)具有一個(gè)電磁力轉(zhuǎn)換器，后者可在具有不同高度和占空系數(shù)的一系列脈沖電流的作用下運(yùn)行。這些不同的脈沖電流的值與被稱物體的總重量值的各個(gè)部分相對(duì)應(yīng)。而且，對(duì)其重量值的顯示可設(shè)計(jì)為，它僅根據(jù)作為伺服機(jī)構(gòu)一部分的PID控制回路的積分回路部分的輸出值進(jìn)行顯示。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1示出了本發(fā)明的方塊結(jié)構(gòu)圖。
圖2示出了可用于本發(fā)明的AD轉(zhuǎn)換器。
圖3(a)、3(b)示出了重量值顯示板的兩個(gè)實(shí)例。
圖4示出了本發(fā)明另一實(shí)施例的部分結(jié)構(gòu)。
圖5示出了本發(fā)明另一不同的實(shí)施例的部分結(jié)構(gòu)。
圖6示出了PID回路的特征曲線圖。
圖7示出了適用于本發(fā)明各實(shí)施例的一部分回路的改進(jìn)回路。
圖8(a)、8(b)、8(c)示出了稱重盤位移傳感器。
參照?qǐng)D1，作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電子秤，它包括有一電磁力轉(zhuǎn)換器1，該電磁力轉(zhuǎn)換器1具有兩個(gè)力平衡線圈13、14，且線圈13、14通過盤支承物12與稱重盤11機(jī)械聯(lián)接。力平衡線圈13、14通過各自的開關(guān)裝置Sa、Sb分別聯(lián)接于直流電流源2a、2b。兩直流電流源分別產(chǎn)生電流i1和i2，兩開關(guān)裝置Sa、Sb分別由脈沖寬度控制回路6a和6b控制，以便將具有彼此不同的脈沖寬度和占空系數(shù)的脈沖電流分別提供給力線圈13和14。稱重盤11的位移由位移傳感器15轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過放大器3輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)4，從而使稱重盤11由于加載而產(chǎn)生的位移數(shù)字化，然后再將該數(shù)字信號(hào)輸入到數(shù)字式PID回路51，由該回路輸出一個(gè)有關(guān)稱重盤11位移的位移數(shù)據(jù)Q。該位移數(shù)據(jù)Q被輸入到數(shù)據(jù)處理回路52，該回路52據(jù)此產(chǎn)生兩個(gè)脈沖寬度確定信號(hào)PD1和PD2，這兩個(gè)信號(hào)PD1、PD2分別對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)Q的兩序列部分的較高者和較低者。脈沖寬度確定信號(hào)PD1和PD2分別傳輸?shù)角笆龅拿}沖寬度控制回路6a和6b，由于控制回路6a、6b控制著開關(guān)裝置Sa、Sb，將使得開關(guān)Sa、Sb僅在分別正比于PD1、PD2的時(shí)間周期T1、T2內(nèi)接通。而且，若用附裝在電磁力轉(zhuǎn)換器1上的溫度傳感器16的輸出對(duì)直流電流源2a、2b實(shí)施控制，可對(duì)電磁力轉(zhuǎn)換1所具有的溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償。
這樣，在預(yù)定的采樣時(shí)間間隔T內(nèi)，比如說，在1毫秒內(nèi)，每當(dāng)AD轉(zhuǎn)換器4輸出一個(gè)稱重盤位移信號(hào)，電磁力轉(zhuǎn)換器1的兩個(gè)力平衡線圈13、14就分別被供給可具有不同的脈沖高度和占空系數(shù)的脈沖電流。這兩個(gè)電流的脈沖高度分別為i1和i2，而占空系數(shù)分別為T1/T和T2/T。通過對(duì)T1和T2的設(shè)置，而使PD1和PD2的極限有效值間的關(guān)系滿足PD2的最大值所產(chǎn)生的效果等于PD1的最小值所產(chǎn)生的效果，是相當(dāng)重量的。換句話說就是，施加到力平衡線圈13上的具有最小脈沖寬度的脈沖電流所產(chǎn)生的作用力，應(yīng)等于施加到力平衡線圈14上的具有最大脈沖寬度的脈沖電流所產(chǎn)生的作用力。當(dāng)然，由力線圈13、14所產(chǎn)生的平衡力的范圍，在它們的邊緣區(qū)域也可以部分地重疊。從上面的說明不難理解，力平衡線圈13、14是同時(shí)被施加上它們各自的脈沖電流的，且力線圈13用于負(fù)載的較大部分，力線圈14用于同一負(fù)載的較小部分。
為了顯示其重量，可以將上述兩個(gè)數(shù)字式脈沖寬度確定信號(hào)PD1、PD2輸入到加權(quán)回路53。在該加權(quán)回路53中，根據(jù)信號(hào)PD1、PD2在由力平衡線圈13、14所產(chǎn)生的總的平衡力中各自占有的比例而對(duì)其進(jìn)行加權(quán)。加權(quán)后的PD1、PD2的總和，作為總的重量值顯示在顯示器7上。加權(quán)回路53的結(jié)構(gòu)可為具有零點(diǎn)補(bǔ)償功能和扣除皮重功能的結(jié)構(gòu)。
在上述的對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的主要部分的描述之后，下面描述其AD轉(zhuǎn)換器4的一具體實(shí)例。
如圖2所示，AD轉(zhuǎn)換器4可由，比如說，鋸齒波發(fā)生器41，比較器42，“與”門43，計(jì)數(shù)器44和時(shí)鐘脈沖發(fā)生器45構(gòu)成。比較器42用于比較從放大器3得到的稱重盤位移的信號(hào)和從鋸齒波發(fā)生器41輸出的信號(hào)，并且當(dāng)鋸齒波發(fā)生器41的輸出電平低于放大器3輸出的位移信號(hào)時(shí)，比較器42的輸出保持為高電平。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器45輸出的時(shí)鐘脈沖通過“與”門42，并和比較器的輸出一作為門信號(hào)。計(jì)數(shù)器44在每一個(gè)鋸齒波的下降邊被復(fù)位，并可以對(duì)通過“與”門43的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。用這種方法，在一個(gè)等于鋸齒波發(fā)生器41輸出的鋸齒波的周期的時(shí)間間隔內(nèi)，可成功地獲得數(shù)字化的位移數(shù)據(jù)。鋸齒波的周期可以為，比如說，1毫秒。
在如圖2所示的上述AD轉(zhuǎn)換器中，如果鋸齒波的周期為1毫秒，且時(shí)鐘脈沖頻率為30MHz，則由計(jì)數(shù)器44可計(jì)數(shù)的最大時(shí)鐘脈沖數(shù)目為3×104。如果電子秤的滿量程為200克，其分辨能力為0.01毫克，則最大的可顯示計(jì)數(shù)的數(shù)目為2×107。對(duì)于這種情況，如果負(fù)載有重物的秤相應(yīng)于上述最大計(jì)數(shù)數(shù)目2×107進(jìn)行計(jì)數(shù)，則隨著反方向位移的產(chǎn)生，在3×104與某一預(yù)定的基本數(shù)值之間的差將被一次、次地放大。但是，如果上述的差并不足夠大，則這一放大將持續(xù)很長時(shí)間。在這種情況下，若采用非線性控制操作，可縮短該放大所需的時(shí)間。
如果采用數(shù)字輸出型傳感器，比如說，CCD線性傳感器，作為位移傳感器15，則AD轉(zhuǎn)換器4可被省略。而且，對(duì)于本發(fā)明的這種實(shí)施例，脈沖電流發(fā)生裝置的數(shù)目并不限于兩個(gè)。這個(gè)實(shí)施例可以被改型，因?yàn)橐幌盗忻}沖電流可相互疊加地提供到一個(gè)線圈上，故其改型可以采用只具有一個(gè)力平衡線圈力的轉(zhuǎn)換器。顯然，用于上述實(shí)施例及其改型中的直流脈沖電流可由交流脈沖電流所取代。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)，秤還可以具有如下結(jié)構(gòu)，即采用通過某些如鍵盤類的裝置設(shè)定脈沖寬度確定數(shù)據(jù)(PD1′，PD2′)的方法，使其產(chǎn)生的平衡力能相應(yīng)于某一預(yù)先確定的、作為目標(biāo)重量的力。因此，若在稱重過程中使用具有這種結(jié)構(gòu)的秤，當(dāng)秤上一加有負(fù)載，便可以立刻顯示出物體重量和目標(biāo)重量值之間的差。因此，顯示的響應(yīng)速度將得到改善。圖3(a)和圖3(b)示出了這種秤的顯示板的兩個(gè)實(shí)例。在圖3(a)中，在目標(biāo)重量值(61)的數(shù)字顯示的上方，是被稱物體的重量與目標(biāo)重量之差的數(shù)字顯示(62);而圖3(b)示出了這一差值的模擬式顯示的一個(gè)例子，這一差值顯示在位于數(shù)字顯示63上方的顯示元件64中。
圖4示出了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一部分結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施例中，圖1中的數(shù)字式PID回路51被一個(gè)模擬式PID回路51a所取代，其它結(jié)構(gòu)與圖1所示的實(shí)施例相同。對(duì)于這一實(shí)施例，因?yàn)槲C(jī)部分5(參見圖1)并未包含有數(shù)字式PID回路，故微機(jī)部分5中的CPU(未圖示)并不需要在相應(yīng)的高速度下運(yùn)行。
圖5是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的部分結(jié)構(gòu)圖。在這一實(shí)施例中，比例積分微分控制回路PID被分為一個(gè)模擬式的比例微分回路PD51b和一個(gè)數(shù)字式的積分回路I51C。
該實(shí)施例的其它結(jié)構(gòu)與圖1所示實(shí)施例相同。這一實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)榉e分操作是在數(shù)字化之后進(jìn)行的，故對(duì)AD轉(zhuǎn)換器4的容量的要求相對(duì)較小。
所有的上述實(shí)施例均可以進(jìn)一步改進(jìn)，以使其重量值的顯示保持穩(wěn)定，克服可能出現(xiàn)的外界干擾。在這種改型中，用于顯示重量值的數(shù)據(jù)，僅由PID回路的積分操作部分獲得。圖6示出了用于分析的一個(gè)典型的對(duì)振動(dòng)干擾的PID響應(yīng)曲線。構(gòu)成總體的PID響應(yīng)的三個(gè)分量中，P(比例)和D(微分)分量對(duì)干擾反應(yīng)敏感，而I(積分)分量則相對(duì)不敏感。因此，如果只顯示由PID控制回路中的積分部分輸出的重量值，則可以獲得穩(wěn)定的顯示。圖7示出了根據(jù)這一個(gè)方案所設(shè)計(jì)的一個(gè)PID控制系統(tǒng)的方塊圖。雖然在圖7中，示出的PID系統(tǒng)是一個(gè)僅示出了主要組件的模似系統(tǒng)，但通過對(duì)系統(tǒng)的部分或全部進(jìn)行數(shù)字化處理，可將它很容易地運(yùn)用到前面的各實(shí)施例中。
下面描述的是可用于本發(fā)明中的稱重盤位移傳感器的一些實(shí)例。
一個(gè)實(shí)例如圖8(a)所示，它由一個(gè)微型光敏組件15a，一個(gè)往組件15a上發(fā)射發(fā)散光束的光學(xué)系統(tǒng)，和一個(gè)用于可部分地遮斷光束并固定于稱重盤11的支承物12上的光欄S構(gòu)成。當(dāng)光欄和稱重盤11一起移動(dòng)時(shí)，通過所產(chǎn)生的微型光敏組件15a上的受照射區(qū)域的變化，使稱重盤的位移被檢測(cè)出并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在圖8(b)和圖(c)所示的實(shí)例中，所利用的是振蕩器15b和15c的頻率變化。在圖8(b)中，構(gòu)成振蕩器15b的振蕩回路中的電容器的一個(gè)電極固定在稱重盤11的支承物12上，從而可使電容性的頻率變化相應(yīng)于稱重盤11的移動(dòng)變化。在圖8(C)中，一個(gè)鐵芯固定在稱重盤11的支承物12上，并以可移動(dòng)方式插入到線圈中，該線圈是構(gòu)成振蕩器15c的振蕩回路的一部分，從而可產(chǎn)生相應(yīng)的電感性頻率變化。
權(quán)利要求
1.一種用電磁力轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的力平衡所稱物體重量的電子秤，該電磁力轉(zhuǎn)換器由脈沖高度不變而脈沖占空系數(shù)隨重量變化的脈沖電流供給電力，所述電子秤包括用于向電磁力轉(zhuǎn)換器的力平衡線圈組件提供脈沖電流的若干個(gè)脈沖電流源；用于根據(jù)稱重盤位移傳感器輸出的位移數(shù)據(jù)將具有電磁力轉(zhuǎn)換器的稱重盤上的負(fù)載量值劃分為若干個(gè)順序部分并將其提供給電磁力轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)處理裝置；用于根據(jù)由所述數(shù)據(jù)處理裝置所劃定的各序列部分決定各脈沖電流的占空系數(shù)的占空系數(shù)確定裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所規(guī)定的電子秤，其特征在于由AD轉(zhuǎn)換器將所述的位移數(shù)據(jù)數(shù)字化。
全文摘要
一種用電磁力轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的力平衡所稱物體重量的電子秤，由脈沖高度不變而脈沖占空系數(shù)隨重量變化的脈沖電流供給電力，電子秤包括向電磁力轉(zhuǎn)換器的力平衡線圈組件提供脈沖電流的若干個(gè)脈沖電流源，用于根據(jù)稱重盤位移傳感器輸出的位移數(shù)據(jù)將具有電磁力轉(zhuǎn)換器的稱重盤上的負(fù)載量值劃分為若干個(gè)順序部份并將其提供給電磁力轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)處理裝置，用于根據(jù)數(shù)據(jù)處理裝置劃定的各序列部分決定各脈沖電流的占空系數(shù)的確定裝置。
文檔編號(hào)G01G23/37GK1050609SQ90107579
公開日1991年4月10日 申請(qǐng)日期1990年7月31日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月31日
發(fā)明者河本晟 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所