專利名稱：電子秤的制作方法
技術領域：
本發明涉及精密電子秤，特別是那種包含有帶有可產生一個與被稱量物體重量相平衡的力的電磁力轉換器的伺服系統的電子秤。
在這種電子秤中，電磁力轉換器或是在穩定的直流電流下或是在脈沖電流下進行工作，且當伺服系統進入并保持在某平衡狀態時，由它提供給力轉換器的“平衡電流”決定著被稱物體的重量。如果該平衡電流是穩定的直流電流，則其電流值與物體重量值相對應;如果該平衡電流是脈沖電流，則物體重量可由占空系數或脈沖寬度給出。
若使用穩定的直流電流，因為測量是通過對電流值的數字化處理而實現的，故對電流的精密測量需要有高分辨力AD轉換系統。但是，高分辨力AD轉換系統的使用，不僅會提高秤的價格，而且往往還使秤完成其一個重量測量的操作時間相對較長。而且，整個伺服系統必須要在長時間內保持非常好的穩定，以滿足測量需要。
若力轉換器是在脈沖電流驅動下運行，則脈沖的占空系數將隨對重量的平衡狀態而變化，并將通過測量可給出占空系數的脈沖寬度來測定物體的重量。這一測量是通過對包含在與該脈沖寬度相同的時間間隔內的時鐘脈沖數進行計數而實現的。在這種情況下，脈沖電流的周期必須保持為2毫秒或是更短的時間，以避免秤發生振動。若使用30MHz的時鐘脈沖，則時鐘脈沖在這一脈沖寬度內可計數的數目的最大限定為60，000(16位二進制數位)，因而難于獲得高分辨精度的稱量值。這一可計數的最大數目還相當于現有的商業計數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、由對時鐘脈沖計數的限制所產生的缺點的方法，但由于該申請所公開的技術包含有積分處理技術，從而使得秤的結構更為復雜。
現有的另一種改進的方法是，采用伺服系統以進行微調，并采用一個系列脈沖電流源以產生其脈沖寬度彼此不連續的若干個脈沖電流。物體的重量先由上述若干脈沖電流中的一個近似進行平衡，其重量的差額然后再通過伺服系統進行精細修正。這種方法也有一個缺點，即在稱量過程中，比如說，在稱量某些物品時，若施加在秤上的重量負載發生連續地或突然地變化時，則由于伺服系統中的PID控制回路的響應特性，可能會產生暫時性的對脈沖電流的錯誤選擇，進而往往使秤發生過擺(overswing)，使重量值的顯示有較大波動。
本發明的目的之一是提供一種與常規電子秤相比在響應速度及分辨能力兩方面均有所改進的電子秤。
本發明的另一個目的是改進電子秤的結構，使其可顯示重量值，可保持穩定，并可以抗外界干擾。
為實現上述目的，本發明電子秤中的伺服系統具有一個電磁力轉換器，后者可在具有不同高度和占空系數的一系列脈沖電流的作用下運行。這些不同的脈沖電流的值與被稱物體的總重量值的各個部分相對應。而且，對其重量值的顯示可設計為，它僅根據作為伺服機構一部分的PID控制回路的積分回路部分的輸出值進行顯示。
下面參照附圖對本發明作進一步詳細說明。
圖1示出了本發明的方塊結構圖。
圖2示出了可用于本發明的AD轉換器。
圖3(a)、3(b)示出了重量值顯示板的兩個實例。
圖4示出了本發明另一實施例的部分結構。
圖5示出了本發明另一不同的實施例的部分結構。
圖6示出了PID回路的特征曲線圖。
圖7示出了適用于本發明各實施例的一部分回路的改進回路。
圖8(a)、8(b)、8(c)示出了稱重盤位移傳感器。
參照圖1，作為本發明一個實施例的電子秤，它包括有一電磁力轉換器1，該電磁力轉換器1具有兩個力平衡線圈13、14，且線圈13、14通過盤支承物12與稱重盤11機械聯接。力平衡線圈13、14通過各自的開關裝置Sa、Sb分別聯接于直流電流源2a、2b。兩直流電流源分別產生電流i1和i2，兩開關裝置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轉換為電信號，并通過放大器3輸入到模數轉換器(AD)4，從而使稱重盤11由于加載而產生的位移數字化，然后再將該數字信號輸入到數字式PID回路51，由該回路輸出一個有關稱重盤11位移的位移數據Q。該位移數據Q被輸入到數據處理回路52，該回路52據此產生兩個脈沖寬度確定信號PD1和PD2，這兩個信號PD1、PD2分別對應于數據Q的兩序列部分的較高者和較低者。脈沖寬度確定信號PD1和PD2分別傳輸到前述的脈沖寬度控制回路6a和6b，由于控制回路6a、6b控制著開關裝置Sa、Sb，將使得開關Sa、Sb僅在分別正比于PD1、PD2的時間周期T1、T2內接通。而且，若用附裝在電磁力轉換器1上的溫度傳感器16的輸出對直流電流源2a、2b實施控制，可對電磁力轉換1所具有的溫度特性進行補償。
這樣，在預定的采樣時間間隔T內，比如說，在1毫秒內，每當AD轉換器4輸出一個稱重盤位移信號，電磁力轉換器1的兩個力平衡線圈13、14就分別被供給可具有不同的脈沖高度和占空系數的脈沖電流。這兩個電流的脈沖高度分別為i1和i2，而占空系數分別為T1/T和T2/T。通過對T1和T2的設置，而使PD1和PD2的極限有效值間的關系滿足PD2的最大值所產生的效果等于PD1的最小值所產生的效果，是相當重量的。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生的作用力，應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生的作用力。當然，由力線圈13、14所產生的平衡力的范圍，在它們的邊緣區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是同時被施加上它們各自的脈沖電流的，且力線圈13用于負載的較大部分，力線圈14用于同一負載的較小部分。
為了顯示其重量，可以將上述兩個數字式脈沖寬度確定信號PD1、PD2輸入到加權回路53。在該加權回路53中，根據信號PD1、PD2在由力平衡線圈13、14所產生的總的平衡力中各自占有的比例而對其進行加權。加權后的PD1、PD2的總和，作為總的重量值顯示在顯示器7上。加權回路53的結構可為具有零點補償功能和扣除皮重功能的結構。
在上述的對本發明實施例的主要部分的描述之后，下面描述其AD轉換器4的一具體實例。
如圖2所示，AD轉換器4可由，比如說，鋸齒波發生器41，比較器42，“與”門43，計數器44和時鐘脈沖發生器45構成。比較器42用于比較從放大器3得到的稱重盤位移的信號和從鋸齒波發生器41輸出的信號，并且當鋸齒波發生器41的輸出電平低于放大器3輸出的位移信號時，比較器42的輸出保持為高電平。時鐘脈沖發生器45輸出的時鐘脈沖通過“與”門42，并和比較器的輸出一作為門信號。計數器44在每一個鋸齒波的下降邊被復位，并可以對通過“與”門43的時鐘脈沖進行計數。用這種方法，在一個等于鋸齒波發生器41輸出的鋸齒波的周期的時間間隔內，可成功地獲得數字化的位移數據。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轉換器中，如果鋸齒波的周期為1毫秒，且時鐘脈沖頻率為30MHz，則由計數器44可計數的最大時鐘脈沖數目為3×104。如果電子秤的滿量程為200克，其分辨能力為0.01毫克，則最大的可顯示計數的數目為2×107。對于這種情況，如果負載有重物的秤相應于上述最大計數數目2×107進行計數，則隨著反方向位移的產生，在3×104與某一預定的基本數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，則這一放大將持續很長時間。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間。
如果采用數字輸出型傳感器，比如說，CCD線性傳感器，作為位移傳感器15，則AD轉換器4可被省略。而且，對于本發明的這種實施例，脈沖電流發生裝置的數目并不限于兩個。這個實施例可以被改型，因為一系列脈沖電流可相互疊加地提供到一個線圈上，故其改型可以采用只具有一個力平衡線圈力的轉換器。顯然，用于上述實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。
根據本發明的設計，秤還可以具有如下結構，即采用通過某些如鍵盤類的裝置設定脈沖寬度確定數據(PD1′，PD2′)的方法，使其產生的平衡力能相應于某一預先確定的、作為目標重量的力。因此，若在稱重過程中使用具有這種結構的秤，當秤上一加有負載，便可以立刻顯示出物體重量和目標重量值之間的差。因此，顯示的響應速度將得到改善。圖3(a)和圖3(b)示出了這種秤的顯示板的兩個實例。在圖3(a)中，在目標重量值(61)的數字顯示的上方，是被稱物體的重量與目標重量之差的數字顯示(62);而圖3(b)示出了這一差值的模擬式顯示的一個例子，這一差值顯示在位于數字顯示63上方的顯示元件64中。
圖4示出了本發明另一個實施例的一部分結構。在這個實施例中，圖1中的數字式PID回路51被一個模擬式PID回路51a所取代，其它結構與圖1所示的實施例相同。對于這一實施例，因為微機部分5(參見圖1)并未包含有數字式PID回路，故微機部分5中的CPU(未圖示)并不需要在相應的高速度下運行。
圖5是本發明的另一個實施例的部分結構圖。在這一實施例中，比例積分微分控制回路PID被分為一個模擬式的比例微分回路PD51b和一個數字式的積分回路I51C。
該實施例的其它結構與圖1所示實施例相同。這一實施例的優點是，因為積分操作是在數字化之后進行的，故對AD轉換器4的容量的要求相對較小。
所有的上述實施例均可以進一步改進，以使其重量值的顯示保持穩定，克服可能出現的外界干擾。在這種改型中，用于顯示重量值的數據，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典型的對振動干擾的PID響應曲線。構成總體的PID響應的三個分量中，P(比例)和D(微分)分量對干擾反應敏感，而I(積分)分量則相對不敏感。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，則可以獲得穩定的顯示。圖7示出了根據這一個方案所設計的一個PID控制系統的方塊圖。雖然在圖7中，示出的PID系統是一個僅示出了主要組件的模似系統，但通過對系統的部分或全部進行數字化處理，可將它很容易地運用到前面的各實施例中。
下面描述的是可用于本發明中的稱重盤位移傳感器的一些實例。
一個實例如圖8(a)所示，它由一個微型光敏組件15a，一個往組件15a上發射發散光束的光學系統，和一個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構成。當光欄和稱重盤11一起移動時，通過所產生的微型光敏組件15a上的受照射區域的變化，使稱重盤的位移被檢測出并轉換成電信號。在圖8(b)和圖(c)所示的實例中，所利用的是振蕩器15b和15c的頻率變化。在圖8(b)中，構成振蕩器15b的振蕩回路中的電容器的一個電極固定在稱重盤11的支承物12上，從而可使電容性的頻率變化相應于稱重盤11的移動變化。在圖8(C)中，一個鐵芯固定在稱重盤11的支承物12上，并以可移動方式插入到線圈中，該線圈是構成振蕩器15c的振蕩回路的一部分，從而可產生相應的電感性頻率變化。
權利要求
1.一種用電磁力轉換器產生的力平衡所稱物體重量的電子秤，該電磁力轉換器由脈沖高度不變而脈沖占空系數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換器的力平衡線圈組件提供脈沖電流的若干個脈沖電流源；用于根據稱重盤位移傳感器輸出的位移數據將具有電磁力轉換器的稱重盤上的負載量值劃分為若干個順序部分并將其提供給電磁力轉換器的數據處理裝置；用于根據由所述數據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的占空系數確定裝置。
2.根據權利要求1所規定的電子秤，其特征在于由AD轉換器將所述的位移數據數字化。
全文摘要
一種用電磁力轉換器產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隨重量變化的脈沖電流供給電力，電子秤包括向電磁力轉換器的力平衡線圈組件提供脈沖電流的若干個脈沖電流源，用于根據稱重盤位移傳感器輸出的位移數據將具有電磁力轉換器的稱重盤上的負載量值劃分為若干個順序部份并將其提供給電磁力轉換器的數據處理裝置，用于根據數據處理裝置劃定的各序列部分決定各脈沖電流的占空系數的確定裝置。
文檔編號G01G23/37GK1050609SQ90107579
公開日1991年4月10日 申請日期1990年7月31日 優先權日1989年7月31日
發明者河本晟 申請人:株式會社島津制作所