基于电磁力补偿原理具有光电位置传感器的称重单元

摘要

本发明公开了一种基于电磁力补偿原理的称重单元，包括固定底座部分，还包括安装在底座部分上永磁系统。悬置线圈通过力传递机构连接到负载接收器上并引导补偿电流。还包括光电位置传感器，其传感器信号对应于从零位起线圈的偏离。闭环控制器以这样的方式控制补偿电流，即在作用于线圈和永磁系统之间电磁力的作用下，线圈和与线圈连接的负载接收器被返回至它们的零位。光电位置传感器包括了光发射器和光接收器，在它们之间具有空隙空间，并且还包括了遮光板。光发射器安装在第一承载元件上；和/或光接收器安装在第二承载元件上。

说明书

技术领域

本发明涉及基于电磁力补偿原理具有光电位置传感器的天平，尤 其是称重单元。

背景技术

电磁力补偿原理在商业、工业以及实验室中使用的不同种类的天 平中具有广阔的应用。该原理特别强之处在于其允许高测量精度的天 平得以实现。例如，通过一台根据电磁力补偿原理运行的分析天平， 以0.01毫克的的测量分辨率测量100克称重负载可能的，即精度为千 万分之一。

本发明所属的天平或称重单元的类型具有固定底座部分以及被约 束在该底座部分的负载接收器，以使得允许负载接收器相对于底座部 分做被引导运动，其中负载接收器用于接收称重负载的重力。在固定 底座部分上安装有具有空气间隙的永磁系统。线圈通过力传递机构连 接到负载接收器并且能被引导移动地悬置在空气间隙中，该线圈中流 有补偿电流。光电位置传感器，其传感器信号表示从零位起天平的相 互关联可移动部分的位移，当在负载接收器上放置负载时结果出现该 零位，该光电传感器通常包括了安装在底座部分上的光发射器和光接 收器，在光发射器和光接收器之间具有一个空隙空间，并且还包括了 延伸穿过该空隙并且参与移动部件位移移动的遮光板。位置传感器的 信号被传送到闭环控制器，作为响应，该闭环控制器以这样的方式控 制补偿电流，即在作用于线圈和永磁系统之间的合成电磁力的作用下， 遮光板以及与遮光板连接天平的移动部件被返回至它们的零位。换句 话说，闭环调整的功能在于保持电磁补偿力和称重负载之间的平衡。 根据电磁学定律，线圈电流强度与合力互成比例，因此，放置在负载 接收器上的称重负载的重量能够通过测量线圈电流确定。

在前述说明描述的范围内，本发明集中在光电位置传感器。电磁 补偿天平的位置传感器的最主要要求是其零点，即当传感器信号越过 负值和正值之间零界时遮光板相对于固定底座部分的位置，需要以高 精度等级和可再现性被维持。

在根据美国专利3,805,907的光电位置传感器中，光源由一个发光 二极管组成，并且光接收器由两个差分布置的光电晶体管组成。光电 晶体管在一个可旋转安装到天平的固定底座框体上的传送盘的表面上 直径地彼此相对。通过旋转该传送盘，灵敏度即与遮光板偏转相关的 传感器信号的大小能够被调节。然而，这种关系绝不是线性的。严格 地说，除了在零点的瞬时区域（限定为零点处灵敏度曲线的斜率），这 种关系因此不能表达为一个比例因子。

在美国专利4,825,968描述的又一个光电位置传感器中，位置传感 器的光发射器和光接收器穿过永磁系统盖板中的一个中央开孔 （cutout）彼此相对布置。遮光板，在该案中为附于也承载补偿线圈的 天平横梁上的具有槽形孔的光栅，作为光发射器和光接收器之间一个 可移动的光门向上进入开孔。在这种布置方式中，对于零位即传感器 信号越过负值和正值之间的零界时遮光板位置的参照并不是天平的支 撑底座底座框架，而是磁铁的盖板。由于天平底座框架和永磁装置中 的热膨胀系数不同，参照由天平测量的零点因此会受到一个温度漂移。

在实际温度补偿之前的制造过程中的一个阶段，称重单元面临一 系列大的温度振幅，即对于老化过程，目的在于稳定灵敏度以及零点 的磁滞回线并且将进一步老化的范围减至最低。滞后以及老化的现象 能通过具有不同热膨胀的称重单元组件间连接区域的微小错位导致。

因此，期望减少组件数量和相关的连接区域，以匹配独立组件彼 此间的膨胀特性，并且因此缩短或完全节省前述老化过程所需的时间。

发明内容

因此，本发明的目的在于创建一种基于电磁力补偿原理的天平用 位置传感器，其中所述位置传感器优于现有技术，在给定的环境温度 和大气湿度范围内满足前述主要要求。第一要求关系到维持零位的精 确度和可再现性，上下文中的零位是指当传感器信号越过负值和正值 之间的零界时遮光板相对于固定底座部分的位置。尤其是，实现发明 目的的方案应当尽可能地减少前述测量尺度的零点的温度滞后，并且 去除进行多个老化/时效周期的需要。而且，传感器信号与遮光板偏移 之间的关系应当尽可能成线性并且是可再现的。另一个目的是通过一 种方法解决创造性的任务，该方法最佳地符合由制造过程施加的技术 条件。

这个任务通过基于电磁力补偿原理并且具有根据独立权利要求1 的光电位置传感器的天平或称重单元解决。

本发明更多的实施例和细节在从属权利要求中描述。

一种基于电磁力补偿原理的称重单元，其包括

固定底座部分；

负载接收器，其约束于所述底座部分以便允许所述负载接收器相 对于所述固定底座部分受引导地移动，其中所述负载接收器用于接收 称重负载的重力；

在固定底座部分上安装的永磁系统，所述永磁系统具有空气间隙；

能被引导移动地悬置在空气间隙中的线圈，并且当天平操作时线 圈传导补偿电流；

将负载接收器连接到线圈的力传递机构；

光电位置传感器，其传感器信号表示从零位起线圈的偏离，当在 负载接收器上放置负载时结果出现该偏离；以及

闭环控制器，作为对传感器信号的响应，闭环控制器以这样的方 式调整补偿电流，即在作用于线圈和永磁系统之间电磁力的作用下， 线圈以及连接到线圈的负载接收器被返回至它们的零位。

光电位置传感器包括在底座部分上安装的光发射器和光接收器， 在光发射器和光接收器之间具有中间空间，并且光电位置传感器还包 括遮光板，该遮光板参与线圈的移动并以光闸的方式切入光发射器与 光接收器之间的自由空间。

根据本发明，光发射器安装在第一承载元件上，位于第一承载元 件的两个第一紧固部位间连线的中心，其中第一承载元件借助两个第 一紧固部位刚性连接到底座部分上；和/或光接收器安装在第二承载元 件上，位于第二承载元件的两个第二紧固部位间连线的中心，其中第 二承载元件借助两个第二紧固部位刚性连接到底座部分上。

在根据本发明的称重单元中，其中每个光发射器和/或光接收器直 接安装在各自的承载元件上，如果连接部位的数量小是有利的，因为 这样会导致减少前述老化过程范围的最终结果，即缩短老化周期的过 程，并且减少零点滞后以及提高称重单元的灵敏度。

光发射器和/或光接收器能被安装在两个紧固部位之间连线的中 心位置，连线与杠杆偏转方向成直角或与杠杆偏转方向平行地指向。

优选的是，光发射器和光接收器以能够从底座部分同侧安装的方 式布置在底座部分上。

在本发明的优选实施例中，底座部分与机械连接件由于整体均质 材料块一体制成，其中挠性枢轴以薄材料桥（thin material bridges）的 形状被形成。例如，在一个整体设计中，承载遮光板和线圈的杠杆同 底座部分一起以直接材料连续性的方式悬挂。由于环境温度变化导致 的膨胀或收缩沿整个整体形成的材料单元均匀地传播，因此环境室温 的变化不会影响附于杠杆的遮光板的位置相对于直接附于底座部分的 光发射器和光接收器之间光束的位置。

紧固部位被构造为各自承载元件中的紧固孔。优选的是，承载元 件通过能够压进底座部分的安装孔中同时没有松隙地穿过承载元件的 紧固孔的开槽驱动栓柱安装在底座部分上。与螺纹连接相比，使用驱 动栓柱的好处在于安装孔中不需要切出螺纹并且承载元件不承受旋紧 螺丝时出现的应力生成扭矩。如果第一承载元件和/或第二承载元件直 接连接到底座部分时这是需要特别关注的一点。

优选的是，每个承载元件的两个紧固孔之一在各自紧固孔连线方 向是伸长的，目的是允许紧固孔的距离与安装孔的距离之间存在可能 的差异（给定的误差极限内）。

关于光发射器和光接收器安装到分别的承载元件上的方式，优选 的是光发射器和光接收器为通过被称作表面封装技术或板上芯片封装 技术设计的产品。

在本发明的有利实施例中，所有的第一和第二安装孔是开可的并 能从底座部分的同侧触及，以使得所有的驱动栓柱能够在一个单独的 操作步骤中从同一方向压进安装孔中。

优选的是，选择发光二极管作为光发射器并且选择差分光电二极 管作为光接收器。当然发光二极管与差分光电二极管各自的频谱范围 需要相互匹配。

承载元件优选地由至少在沿紧固孔的连线方向上线性膨胀温度系 数与底座部分的线性膨胀温度系数相匹配的材料制成。因此，承载元 件和底座部分由于不同热膨胀产生的材料应力能够避免。温度系数匹 配的另一个结果是由于不同热膨胀产生并且导致前述天平测量范围零 点滞后及老化过程的紧固部位中的微小错位被避免。

此外，承载元件也可以通过吸湿改变其尺寸，类似地，这能导致 应力以及微小错位。因此，如果承载元件由具有低吸湿膨胀系数的材 料制造是有利的。

当发光二极管操作时会产生相当多的热量。为了避免发光二极管 和/或第一承载元件过热，后者需要设计成尽可能高效地将热量传至底 座部分。这种要求通过如电路板形式的承载元件满足，电路板被设置 成具有诸如铝板的导热层和介电绝缘层的层叠物，在介电绝缘层上布 置导电迹线，发光二极管经过导电迹线供电。在由塑料以及自身具有 差导热性的陶瓷材料组成的承载元件中，导热能力可以通过向背侧以 及元件面未使用的表面部分施加铜层的方式得到提高。

附图说明

接下来根据本发明的称重单元将通过附图中显示的具体实施例得 以详尽描述。从一幅附图到另一幅的范围内同样的元件通过相同的附 图标号识别。接下来为每幅附图的简短说明：

图1以示意图方式显示了一台具有电磁力补偿的天平；

图2显示了一个具有光发射器、光接收器以及遮光板的光电位置 传感器的横截面视图，也显示了遮光板的侧视图（图2A）；

图3显示了发光二极管形式的光发射器，该发光二极管作为一个 表面封装件安装在第一承载元件上；

图4显示了差分光电二极管形式的光接收器，该差分光电二极管 作为一个板上芯片组件安装在第二承载元件上；

图5以横截面视图以及侧视图（图5A）表明根据本发明如何紧固 承载元件；

图6表明了根据本发明紧固所述承载元件的一种可选方式。

具体实施方式

图1示意性地表示了一个具有电磁力补偿和光电位置传感器的称 重单元。增加一个笛卡尔坐标系X、Y、Z作为参考，其中X轴和Z 轴位于图1的绘图平面中，而Y轴指向绘图平面后的空间。该图中称 重单元1的可识别的元件包括固定底座部分2；负载接收器3，其由天 平横梁9以相对于底座部分2受引导可移动的方式被约束；在底座部 分2上牢固安装的杯形永磁系统5（横截面视图所示）；该永磁系统的 空气间隙6，传导补偿电流7的线圈8可移动地悬置在空气间隙中； 以及位于负载接收器3与线圈8之间的传力机械连接件，其这里为天 平横梁9的形式。光电位置传感器（图1中通过指向Y方向的视角象 征性地显示，并且在图2中通过指向X方向的视角详细地显示）产生 与线圈从其零位偏离相一致的传感器信号，由于在负载接收器3上放 置负载4而出现该偏离。所述零位在图1中通过箭头10和12、13的 平衡对齐象征性地表示，其中被整体连接到底座部分2的箭头12、13 象征牢固地安装在底座部分2上的光发射器12和光接收器13，光发 射器12和光接收器13横贯一中间空气空间彼此相向（见图2）。被整 体连接到天平横梁9的箭头10表示具有槽形孔口11的遮光板（shutter  vane）10（见图2A），该遮光板可以在中间空间中如双方向箭头18所 示上下移动，借此由光发射器12流至光接收器13的光量被影响并且 产生传感器信号14。位置传感器的信号14被传至闭环控制器15，该 闭环控制器作出响应而调整补偿电流7，以使得在线圈8与永磁系统5 之间作用的合电磁力使得遮光板10与天平横梁9、线圈以及负载接收 器3一起返回至零位，在零位，电磁补偿力与称重负载4平衡。根据 电磁学定律，补偿力同线圈电流7成比例。因此，放置在负载接收器 3上的称重负载4的重量能够通过测量线圈电流7确定。

此外，图2显示了在其上安装有光发射器12的第一承载元件16 以及在其上安装有光接收器13的第二承载元件17是直接地、即没有 任何中间部件地安装在一个属于底座部分2的材料部分上的发明构 思。这种立即的、空间固定连接到底座部分2在具有整体配置的称重 单元1中特别有利，其中底座部分2和传力机构9一起由单个同质材 料块形成，其中，杠杆的枢轴以及连接构件的枢轴被设置为薄材料桥 形状的挠性枢轴（flexure pivot）。例如，承载遮光板10的杠杆9通过 一个或多个挠性枢轴与底座部分2一起以直接材料连接的方式悬置。 因为完整的整体形成的材料单元随着环境温度变化而均匀地膨胀或收 缩，所以与杠杆9相连的遮光板10以及各自的承载元件16和17与底 座部分2直接相连的光发射器12和光接收器13以具有对室温变化相 对小敏感度的方式维持在彼此相互的原位。

在图3的示例中，光发射器的第一承载元件116例如被设置为具 有第一紧固孔120的第一电路板。如接下来图5的说明内容所述，底 座部分202具有与紧固孔120匹配的安装孔220，以使得第一承载元 件116能够通过合适的紧固器具连接在底座部分202上。如图3所示， 承载元件116的两个第一紧固孔120中的一个在紧固孔120的连线方 向上是伸长的，目的是为了允许紧固孔120的距离与安装孔220的距 离之间存在可能的差异（给定的误差极限内）。

附图3显示了带有发光二极管或LED单元112形式光发射器的第 一承载元件116。在此示意的结构形式中，实际的LED元件130被布 置在位于被设置成反射器的凹部132内的承载块131上。将块形LED 单元112附于第一承载元件116根据被称为表面封装的技术设计，该 技术被具有相关技术背景的人员熟知并且因此在更多细节上不再涉 及。块形LED单元112优选地被布置在第一承载元件116上位于如图 3中点划线所示的连线V1上的两个紧固孔120的中点处。

如图4所示，光接收器的第二承载元件117与光发射器的第一承 载元件的构造类似，例如形式为具有第二紧固孔121的第二印刷电路 板，第二紧固孔121用于与底座部分202的如图5所示的对应安装孔 221相连。同样与第一承载元件116类似，两个第二紧固孔121中的一 个在紧固孔121的连线V2方向是伸长的，目的是为了允许紧固孔121 的距离与安装孔221的距离之间存在可能的差异（给定的误差极限 内）。

在第二承载元件117上安装的光接收器包括差分光电二极管113， 其形式为具有两个感光表面区域141、142的薄板或芯片140。将板状 差分光电二极管113附于第二承载元件117根据被称为板上芯片的技 术设计，该技术被具有相关技术背景的人员熟知并且因此在更多细节 上不再涉及。光电二极管单元140优选地被布置在第二承载元件117 上位于两个紧固孔121之间的中点并且被定向以使得差分光电二极管 140的两个感光表面区域141、142之间的狭窄分隔带沿紧固孔连线V2 居中布置。

图5在一个平行于Y轴和Z轴的平面内显示了穿过位置传感器的 中央横截面，而图5A从指向平行于X/Z坐标平面延伸的紧固表面210 的视角显示了位置传感器。将承载元件116、117附在底座部分202上 优选地通过开槽驱动栓柱203、204实现，所述开槽驱动栓柱即具有纵 向开槽轴的钉状金属销，其中所述纵向开槽轴能够被压进底座部分202 的安装孔220、221中并且无松隙地穿过紧固孔120、121。开槽驱动 栓柱为商业上可用的产品因此不再进一步描述。由于紧固表面210、 211都朝向同一方向（图5中向左，并且图5A中朝向观察者），因此 图5和图5A中表示的承载元件116、117的布置方式特别有利于连接 驱动栓柱203、204。两个承载元件116、117绕沿Y方向延伸经过承 载元件116、117的中点C延伸的光轴彼此交叉（crosswise）转动，第 一承载元件116的紧固孔120的连线指向Z方向并且第二承载元件的 紧固孔121的连线指向X方向。第一承载元件116的开槽驱动栓柱203 可以直接受力插入表面210的安装孔220中。底座部分202的位于第 一承载元件116的区域内的合适形状的通道开222允许插入工具进 出，目的是为了将第二承载元件117的开槽驱动栓柱204压进表面211 内向对应的安装孔221中。因此，在一个操作步骤中，用于连接承载 元件116、117的四个开槽驱动栓柱203、204能从同一侧压进安装孔 中。

图6显示了一种可选择的布置方式，开槽驱动栓柱能够类似地从 同一侧安装，但其中承载元件316、317不交叉地彼此指向对方。在该 可选构思下，第一承载元件316比第二承载元件317更长，以使得第 一承载元件316在纵向方向上桥接通道开口322并且能够通过图6中 虚线箭头所示的开槽驱动栓柱紧固到安装孔320上。然而，通过这种 布置方式在第一承载元件能够在第二操作步骤中安装到图6中距离观 察者更近的紧固表面310上之前，第二承载元件317必须首先安装到 通过通道开口322可见的紧固表面311上。

关于与开槽驱动栓柱的连接，需要进一步指明在承载元件与底座 部分之间产生了一种固定的、无屈服的连接。温度变化时，因此承载 元件与底座部分的热膨胀差异可能引起不希望的应力以及部分不可逆 细微的错位和变形。因此承载元件应采用线性热膨胀系数至少在沿紧 固孔连线方向同底座部分的线性热膨胀系数相同的材料制成。

之前也已经提过了，由于水分吸收的结果，承载元件的尺寸也能 变化，这同样能够导致应力和错位。因此，承载元件的材料应当也具 有尽可能低的吸湿膨胀系数。

当选择承载元件的材料时，需要进一步注意的尤其是发光二极管 在操作中会产生热量。为了防止多余的热量在发光二极管和第一承载 元件中累积，承载元件的材料应该具有尽可能好的热传导性。

为这个目的所做的采用铝制底座部分的实验显示，前述关于膨胀 的温度系数、吸湿膨胀系数以及热传导的要求能够通过如Rogers  Corporation公司（www.rogerscorporation.com）生产的商品名为RO4350 的材料、即至少一个玻璃纤维加强聚合物层以及至少一个陶瓷层的层 叠物的这种材料而得到满足。这种材料自身具有低热传导性，能够通 过在背面以及元件面未使用的表面区域镀铜的方式显著提高材料的热 传导性。Bergquist公司（www.bergquistcompany.com）生产的商品名 为Bergquist T-Clad的由金属层和电介质绝缘层组成的承载元件材料达 到很好的结果。

尽管通过介绍具体实施例的方式描述了本发明，显而易见的是基 于本发明的启示能够创造出大量更多的变化，例如通过结合此处描述 的各个实施例的特征和/或通过替换实施例间单独功能单元和/或通过 替换此处特别命名的其他材料和组件的方式。

参考符号列表

1                   称重单元

2、202              底座部分

3                   负载接收器

4                   负载，称重负载

5                   永磁系统

6                   空气间隙

7                   补偿电流，线圈电流

8                   线圈

9                   天平横梁

10                  遮光板

11                  槽形孔口

12                  光发射器

13                  光接收器

14                  传感器信号

15                  闭环控制器

16、116、316        第一承载元件

17、117、317        第二承载元件

18                  双方向箭头

112                 发光二极管，LED单元

113                 差分光电二极管

120                 第一紧固孔

121                 第二紧固孔

130                 LED元件

131                 承载块

132                   反射器

140                   薄板，芯片

141、142              感光表面区域

203、204              开槽驱动栓柱

210、211、310、311    紧固区域

220、221、320         安装孔

222、322              通道开口

X、Y、Z               笛卡尔坐标系

V1、V2                连线

OA                    光轴