CN101140182B - 测力装置和基准单元 - Google Patents

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Abstract

一种测力装置(1000)，其包括测量单元(100)和基准单元(100R)，所述基准单元(100R)用于提供基准量、基准电流(IREF)或基准电压(UREF)，借助于所述基准单元(100R)，待测定的测量对象的力(FMO)可通过测量单元(100)测量。根据本发明，基准单元(100)为一测力装置，其加载有基准质量(mREF)并根据电磁力补偿原理产生基准电流(IREF)，该基准电流可通过测量和调节装置(3R，4R)调节，以使得在由基准杠杆(105R)保持的第一基准线圈(1R；1Ra)中，基准电流(IREF)产生一磁场，该磁场与基准磁体(2R；2-2R)的磁场相互作用，从而使得在基准杠杆(105R)上施加一磁力，其中，同样作用于基准杠杆上的基准质量(mREF)的力(FREF)可被所述磁力补偿。

Description

测力装置和基准单元
技术领域
本发明涉及一种测力装置，尤其涉及一种秤（天平）和一种基准单元。
背景技术
测力装置的测量精度受到许多因素的影响，这些因素在参考文献[2]：
Figure GDA00002870444000011
（Weighing Primer），Mettler-Toledo GmbH，2001年4月中作了描述，所述测力装置例如是基于电磁力补偿或应变仪技术（参见参考文献[1]：“Build your Quality on a Solid Foundation!”，companypublication,Mettler-Toledo GmbH,2001年1月,第14-15页）的秤。
各种型式的秤特别易于受到因诸如振动或冲击之类的机械影响所造成的干扰，并且其因此设有滤波器，以用于去除与干扰相关的信号部分。例如在参考文献[3]：US2004/0088342A1和参考文献[4]：US6,271,484B1中述了一些方法，在这些方法中，借助于数字滤波器来处理由测力装置的测量传感器所产生的信号。
具有非常高的测量精度（分辨率）的测力装置还需要非常精确的基准、基准电压或基准电流，其中，测量值被记录并借助于模拟/数字（A/D）转换器转换成数字信号。在参考文献[5]：U.Tietze,Ch.Schenk，“Halbleiterschaltungstechnik”（半导体电路设计），第11版，第二次印刷，Springer Verlag，柏林1999，第1043-1062页中给出了各种A/D转换器，所有这些A/D转换器被供给有基准电压UREF。例如可从在参考文献[5]的第1047-1048页中描述的所谓平行方法中很容易地理解，在模拟信号的A/D转换中可获得的精度取决于基准电压UREF的稳定性。
在参考文献[6]：Albert O’Grady,Transducer/Sensor excitation andMeasurement Techniques，Analog Dialogue34-5（2000）中描述了秤中使用的基于应变仪技术的测量桥接电路。如参考文献[6]的第4页的图8所示，测量电桥的中心抽头处呈现的信号可借助于西格马－德耳塔A/D转换器转换成数字信号，其中，应用于测量桥接电路的电压作为基准电压被供给至西格马-德尔塔转换器（关于测量电桥的工作原理也可参见参考文献[5]的第1241和1243页）。
尽管传统上产生的基准电压一般足够用于基于应变仪技术的秤中所获得的精度水平，但是，具有显著更高精度的基于电磁力补偿的测力装置要求具有更高稳定性和更小噪音的基准电压。例如，需要特别复杂和昂贵的测量，以抑制通常由在过渡区域具有金属杂质的半导体所导致的所谓的爆音噪声。
具有电磁力补偿的电子秤例如在参考文献[7]：DE3324402中进行了描述。该秤的电气部件包括带有齐纳二极管的基准电压源，其为用于补偿电流的测量的决定性因素。齐纳二极管的特性是随温度而变化的，因此校正电路被用于补偿与温度相关的影响因素。因此，在具有高测量精度的基于电磁力补偿的秤中，不仅基准或基准单元的噪音特征、而且其与温度相关的行为特征均特别重要。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种改进的测力装置以及基准单元，以通过该装置和单元避免前述问题。该目的尤其在于提供一种测力装置，其具有相对低成本的基准单元，该基准单元用于提供适宜的精确基准（参考）量、基准电流或基准电压。
为此，根据本发明的一个方面，提出一种测力装置，其带有测量单元，并且还带有用于提供基准电流的基准单元，借助于所述基准电流，待测定的测量对象的力可通过所述测量单元被测量，其中，所述基准单元为一测力装置，其加载有基准质量，并根据电磁力补偿原理产生所述基准电流，所述基准电流可借助于测量装置和调节装置被控制，由此使得在由一基准杠杆保持的第一基准线圈中，所述基准电流产生一磁场，所述磁场与一基准磁体的磁场相互作用，以使得一磁力施加于所述基准杠杆上，其中同样作用于所述基准杠杆上的基准质量的力可由所述磁力补偿。
本发明还提出一种基准单元，其可工作以产生与一基准质量相应的基准电流，其中，设置测量装置和调节装置，借助于所述测量装置和调节装置，所述基准电流可以被调节，以使得在由一基准杠杆保持的第一基准线圈中产生一磁场，所述磁场与一基准磁体的磁场相互作用，从而使得在所述基准杠杆上施加一力，由此同样作用于所述基准杠杆上的基准质量的基准力可以被补偿。
该测力装置包括测量单元和基准单元，该基准单元用于提供（或发送）基准量、基准电流或基准电压，借助于该基准量、基准电流或基准电压，来自于测量物体的待测定的力将变成可测量的和/或相应的模拟信号可以被数字化。
根据本发明的基准单元为当加载基准质量时根据电磁力补偿原理产生基准电流的测力装置。通过测量装置和调节装置来控制基准电流的大小，以使得由第一基准线圈中的基准电流所产生并与优选为永磁体的基准磁体的磁场发生相互作用的磁场产生作用于一基准杠杆上的力，由此可以补偿基准质量的力，该基准质量的力直接或者通过杠杆减速机构作用于基准杠杆上，其中所述第一基准线圈由基准杠杆保持。
由基准单元所产生的参考量仅仅包含低比例的系统固有干扰，并因此特别适用于测量仪器、特别是精度非常高的测力装置。除了避免在以半导体技术为基础的参考源中产生的系统固有干扰之外，本发明的附加优点是，在测力装置的情况下，不仅测力装置的测量信号、而且参考量根据作用于测力装置的干扰变化时，可以自动地修正外部干扰，其中该外部干扰影响实际上处于并联相位的测量对象和基准质量。因此，由参考量和测量信号中的干扰所引起的相应变化呈彼此成比例的关系。
此外，与满足相应规格的电子基准单元相比，根据本发明的测重基准单元可以有利的成本制造。
由基准单元所产生的基准电流可根据给定情况的需要转化成基准电压或者数字量。
基准质量优选通过固定接头附装到基准杠杆上，以避免杠杆力矩的偏差，这种偏差可能由于基准质量的位置变化而造成。由于存在杠杆力矩的这种偏差，诸如平行四杆机构之类的杠杆机构不是绝对必要的。因此，基准测量单元可仅仅设有一个单一杠杆，即基准杠杆，其承载着基准质量和基准线圈。优选采用这样一种布置，其中基准质量由永久安装的基准线圈的质量和基准杠杆自身的质量表示。基准线圈的质量对基准杠杆施加向下的拉力，而由补偿电流在基准线圈中产生的磁场与基准磁体配合，并同时施加向上的推力，因此杠杆被保持平衡。
原则上，基准单元的基准杠杆可因此在一端由旋转支点限制，而杠杆的附装有基准线圈的另一端被保持在基准磁体之上。然而，这种布置的缺点在于，空气压力的变化会影响基准信号。因此，在本发明的又一个优选实施例中，使用一基准杠杆，其中杠杆枢轴或支点的两侧的体积部分在其各自的空气浮力方面相互补偿，该体积部分包括附装到基准杠杆上的一个或多个基准线圈的体积。为了补偿基准线圈的体积，基准杠杆因此适当地构造或者配备有补偿空气位移本体，该空气位移本体安装在基准杠杆的相对侧上，并与支点具有适当的距离。因此，即使在改变大气压的情况下，由作用于支点两侧上的空气浮力所产生的力也至少大致相互平衡。
如果测力装置已经由于测量单元的机构设计而在浮力方面是不平衡的，测量单元中的这种浮力不平衡可部分地由基准线圈的体积补偿。为了容许相同结构的基准单元用于不同的测力装置中，补偿空气位移本体优选对于不同的本体是可更换的和/或从基准杠杆的支点到补偿空气位移本体的距离是可调节的。
基准单元优选封装在气密外壳中，以最大可能地防止其受周围环境的影响因素的影响。
利用封装的基准单元，与空气浮力相关的问题可通过从气密外壳中排出气体、特别是空气以简单的方式解决。
在基准单元的又一个优选实施例中，在一优选为在10Hz至50Hz的范围内的下限以上的频率范围内的调节量的那些信号部分经由高通滤波器传送到用于控制放大器（例如阻抗变换器）的调节单元，该调节单元将补偿电流发送至附装到基准杠杆上的第二基准线圈，其中补偿电流产生磁场，该磁场与基准磁体的磁场相互作用，以使得可以对上述下限以上的更高频率的干扰进行修正。复合干扰因此可通过第二基准线圈迅速修正，而不会损害用作基准的第一基准线圈中的补偿电流。基准电流因此可很大程度上保持免于高频干扰的影响。
在基准单元的又一个优选实施例中，补偿电流经由第二基准线圈传输至积分器的一个输入（端），该积分器的输出被反馈至放大器的输入（端），由此形成反馈回路，该反馈回路始终将积分器的输出信号返回至其起始位置。这也因为如果具有在第二基准线圈中流动的DC分量，其通过相位修正将被积分（整合）并返回到放大器的输入，并由此可以补偿可能在放大器的输入端出现的恒定偏移。该测量用于确保只有与干扰相关的电流流过第二基准线圈。因此，在第一基准线圈中流动的电流产生一补偿力，其单独并独自完全补偿基准质量的力。
由基准单元产生的基准量可通过不同方式在测力装置中使用。例如，在根据应变仪原理工作的测量单元中，由基准单元产生的基准电压可被应用于一测量桥接电路。
在根据电磁力补偿原理工作的测量单元中，由基准单元所产生的基准电流可以被切换成交替地流过附装到补偿杠杆上的第一和第二补偿线圈，结果是，一磁场与永磁体系统的磁场协作，以使得一力经由补偿杠杆作用于相关的杠杆机构上，由此可以补偿同时作用于杠杆机构上的测量对象的力。
从由基准单元提供的基准电压或基准电流来看，还可以派生出流过基准线圈的补偿电流，由此补偿待测量负荷的力。
根据本发明所产生的基准电压或基准电流还可用作A/D转换器的基准，该A/D转换器结合在例如参考文献[5]的第1043-1062页所述的布置或者类似布置中的测量单元中（也参看参考文献[6]的第4页、图8）。
测量单元和基准单元的杠杆系统优选根据整体设计概念构建，其中，测量单元和基准单元的各静止（固定）部件连接并一起使用。优选地，测量单元和基准单元可通过整体式构造的力传递装置实现，其中在该力传递装置中结合有杠杆系统。为了获得最紧凑的测力装置设计，基准单元的至少一个基准杠杆优选被集成/结合到测量单元的平行四边形的静止部件中。利用这种设计思想并通过使用由电火花腐蚀工艺形成的整体式构造的测力装置，可以生产出附加费用非常少的基准单元，并可以仅仅要求最小的附加空间的方式将基准单元集成到测力装置中。
测力装置的又一种优选设计具有磁体系统，该磁体系统通常用于测量单元和基准单元。这首先降低了成本，因为不再需要分离的磁体。作为另一个优点，该装置可以具有更加紧凑的设计。其它优点在于温度稳定性方面，其只需在一个磁体系统中实现。此外，如果与温度相关的变化在磁体系统的磁场中发生，这种变化对测量系统和基准系统的相应影响可相互补偿。
磁体系统和/或测量单元的线圈和/或基准单元的温度优选被记录并用于修正测量值。由此可以补偿由与温度相关的影响所导致的基准量或者测量单元的测量结果的可能偏差。
并非严格要求基准单元与测量单元连接到一起。基准单元也可构造为一个模块。如果看来必要的话，模块式基准单元可以具有至少一个存储器，以用于存储特定于基准单元的数据。例如，在最终测试或者标识码中获得的修正数据可存储在该存储器中，并随后由测力装置的处理器单元调取。
基准单元还可小型化，例如作为微型机电系统（所谓的MEMS）。这种小型化设计的基准单元可以具有电和机械接口，该接口优选具有与半导体基准相同的尺寸和相同的管脚配置，该半导体基准由不同的供给商以集成电路的方式提供。如前所述，这种易碎系统优选也封装在气密外壳中，封装件内部的中空空间优选被抽真空。
前述描述中的基准单元不仅可用于测力装置中，而且可用于需要精确的与力相关的基准单元的所有应用中。特别是对于暴露于周围环境的外部振荡中的诸如测量重力加速度的装置、加速度计等的测量仪器而言，本发明的基准单元提供了显著优点，因为这种外部振荡也同样包含在基准量中。如果基准量通过模拟或数字滤波器被平滑化处理，根据本发明的基准单元也可用在所有其他测量仪器中。
附图说明
下面将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了一测力装置100，其根据电磁力补偿原理工作，并可配备有一个补偿线圈1或者两个补偿线圈1a和1b，借助于所述两个补偿线圈1a和1b，可以推/拉工作模式产生具有时间偏差的相反方向的磁场；
图1a示出了带有切换装置42a、42b的两个补偿线圈1a、1b，该切换装置用于向基准线圈1a、1b供给根据待补偿的负荷大小为西格马/德尔塔调制或者脉宽调制的基准电流IREF的相互补偿分量；
图2示意性地示出了一基准单元100R，其根据电磁力补偿原理工作（运行），并且通过该基准单元产生一用于测量单元100、例如图1a的电路布置的基准电流IREF；
图3示出了根据本发明的测力装置1000的机电系统，其包括根据电磁力补偿原理工作的测量单元100以及具有几乎相同设计的基准单元100R，该基准单元可选择性地加载有不同的基准质量mREF；
图4示出了带有简单设计的基准单元100R的图3的测力装置1000，替代杠杆机构，该基准单元100R仅包括一个基准杠杆105R，该基准杠杆105R在一端承载着基准线圈1R，在另一端被可旋转地支承并因此受到取决于大气压力的浮力，该基准线圈1R同时用作基准质量mREF；
图5示出了带有根据一个带有基准杠杆105R的优选结构的基准单元100R的图4中的测力装置1000，该基准杠杆105R在支点111R的一侧承载着用作基准质量mREF的基准线圈1R，并且在支点111R的另一侧具有补偿空气位移本体，例如封闭的补偿容器，该补偿容器用于平衡基准杠杆105R和在支点111R两侧连接到其上的部件的体积；
图6示出了一整体式构造的测力装置150，其配备有用于测力装置100和用于基准单元100R的杠杆机构；
图7示出了图6的整体式构造的测力装置150，其配备有用于测量单元100和基准单元100R的补偿线圈1、基准线圈1R、磁体系统2、2R以及光学位置传感器单元3、3R，其中，基准单元100R还配备有两个空气补偿位移本体1000R；
图8示出了一测力装置1000，其中测量单元100和基准单元100R共用一个磁体系统2-2R；
图9示出了例如根据图2-8之一的基准单元100R，该基准单元一方面产生在根据推/拉原理工作的第一测量单元100a中用作基准的基准电流IREF，另一方面产生基准电压UREF，该基准电压UREF在第二测量单元100B中用作测量桥的工作电压，并且在第三测量单元100c中用作A/D转换器的基准电压；以及
图10示出了根据图2-8之一的基准单元100R，其中增加了第二基准线圈1Rb和相关的伺服反馈系统，通过该第二基准线圈1Rb和相关的伺服反馈系统，高频范围中的干扰可以得到补偿，且不会损害流过第一基准线圈1Ra的基准电流IREF。
具体实施方式
图1示出了根据电磁力补偿原理工作的秤（balance）1000，其带有测量单元100，该测量单元100可配备有一个补偿线圈1或者两个补偿线圈1a、1b，该补偿线圈1a、1b用于以推/拉工作模式产生具有时间偏差的相反方向的磁场。
在图1中示意性地示出的秤1000的机械部分包括静止的平行四边形腿103，其刚性地紧固到秤壳体1001上，并借助于两个导向部件101和102连接到可移动的平行四边形腿104上，悬臂1041形成于该平行四边形腿104上，并用于接收负荷FMO。两个平行四边形腿103和104由柔性枢轴110连接到两个导向部件101和102上。一磁体系统2连接到从静止的平行四边形腿103延伸的支承臂1032上，该磁体系统2包括具有极板22和杯形的磁场引导体23的永磁体21，其中极板22置于该永磁体21的顶部，杯形的磁场引导体23用于将磁通量线路的回路封闭。线圈1或者作为替换的两个线圈1a、1b从上方下来进入磁场移导体23和极板22之间的气隙25中。线圈1或者作为替换的两个线圈1a、1b紧固到一个补偿杠杆105上，该补偿杠杆105借助于一耦合元件1040传输负荷FMO的法向分量。补偿杠杆105由柔性的支点枢轴111从柱1033悬垂，该柱1033紧固到静止的平行四边形腿103的支承臂1032上。附图标记3表示光学位置传感器单元，其用于检测补偿杠杆105从其正常位置的偏移。
秤的电气部分包括带有温度传感器9的修正电路，该温度传感器9对取决于负荷的补偿电流施加影响，从而使得可大大补偿磁体系统的磁场强度的温度依赖性。
这种仅具有一个补偿线圈1的秤例如在参考文献[7]中进行了描述。该文献所描述的秤的电气系统包括带有齐纳二极管的基准电压源，该齐纳二极管为用于补偿电流的决定性元件，通过该齐纳二极管，产生用于补偿负荷FMO的法向分量的力。
还已知一些根据电磁力补偿原理工作的测力装置，其中两个补偿线圈1a、1b（参见图1a）由补偿杠杆105保持，其中，基准电流IREF被切换，以使其交替地流过两个线圈，结果是，产生与磁体系统2的磁场协作的磁场，以使得一力通过耦合元件1040上的补偿杠杆105支承，由此负荷FMO的法向分量得到补偿。利用测力装置或秤的这种结构，可借助于齐纳二极管同样地产生基准电流IREF。
与借助于齐纳二极管或附加半导体元件产生基准电压或基准电流相关的缺陷已经在上文中进行了描述。
根据本发明，基准电流IREF和/或源自于该基准电流IREF的基准电压UREF借助于图2所示型式的结构简单的基准单元100R产生。基准单元100R为承载着基准质量mREF的测力装置，其根据电磁力补偿原理产生基准电流IREF。基准电流IREF可通过传感器单元3R和调节装置4R调节，以使得在由基准杠杆105R所保持的第一基准线圈1R中产生与基准磁体2R的磁场协作的磁场，并且一补偿力FR施加于基准杠杆105R上（或由基准杠杆105R承担），由此同样地作用于基准杠杆105R上的基准质量mREF的基准力FREF得到补偿。基准质量mREF由杠杆机构101、102、103、104保持，其中静止的杠杆103通过测力装置的壳体1001形成，更具体地说通过秤或独立的基准单元100R的壳体形成。如所示出的示意性形式所示，基准杠杆105R被位于无限远距离处的虚支点可旋转地限制或约束，因此称量盘上的基准质量的位置变化是不相关的。如更进一步地示出的那样，补偿力FK沿着基准力FREF的相反轴向方向定向，并完全抵消后者。
基准杠杆105R从其正常位置的平移通常在1至2纳米（毫微米），并借助于光学位置传感器单元3R被检测。光学位置传感器单元3R具有快门叶片38，其连接到基准杠杆105R上并定位于光源31和带有光传感器的传感器单元32之间，其中从光源31发出的光经过快门叶片38中的开口到达传感器单元32。如图2所示的具有两个光传感器的传感器单元32向调节装置4提供反馈量。然而，替代两个光传感器，传感器单元32也可具有两个其他传感器单元，例如光电二极管阵列、PSD（位置灵敏装置）、具有图像处理功能的照相机等等。调节装置4包括例如具有PID特征的调节元件41和可变的可控电阻装置42，由此可以调节基准电流IREF，以使得基准杠杆105R始终保持在其正常位置（也称作目标位置），其中基准力FREF完全由补偿力FK补偿。基准电流IREF的路径通过基准电阻5通向仪器接地点GND，结果是，在基准电阻5上显示出基准电压UREF自身。
图3示出了测量单元100a和几乎以相同方式构造的基准单元100R，如上所述，这二者均根据电磁力补偿原理工作。测量单元100a和基准单元100R的电气部件和电子部件例如类似于图9所示的实施例。单元100a和100R均配备有分别由元件101、102、103、104以及元件101R、102R、103R、104R组成的平行四边形，其具有仅将负荷mMO和mREF的法向分量传送至相应的耦合元件1040或1040R的功能。负荷mMO或mREF在相应的支承臂1041、1041R上的位置变化因此对测量没有影响。在基准质量mREF需要选择性地更换的情况下，这种相对复杂且昂贵设计的基准单元100R被使用。
图4示出了带有结构更加简单的基准单元100R的图3的测力装置1000，替代杠杆机构，该基准单元100R仅仅具有一个基准杠杆105R，该基准杠杆105R在一端承载着基准线圈1R（其同时用作基准质量mREF），在另一端由支点元件111R限制。由于基准质量mREF在该实施例中并不意欲是可更换的，基准质量mREF的形式和布置可任意选择。因此，如图4所示，基准线圈1R自身用作基准质量mREF，由此可以获得结构特别简单的基准单元100R。然而，在该实施例中，需要指出的是，作为通过基准杠杆105R和基准线圈1R移置空气体积的结果，将产生取决于大气压力的浮力。大气压力的变化将导致作用于基准杠杆105R上的向下力FREF的变化，并同时导致基准电流IREF的变化，通过该基准电流产生与基准磁体2R的磁场协作的磁场。如果空气压力是恒定的，则图4所示的测力装置1000因此产生最佳结果。
然而，在较长的时间周期内，大气压在通常为40hPA、即大约正常大气压的4％的范围内以给定的高于海平面的恒定高度波动。在如图5所示的基准单元100R的结构中，基准杠杆105R因此配备有补偿空气位移本体，该补偿空气位移本体被设计成使得支点元件111R的两侧的基准杠杆105R的体积部分以及因此作用于其上的浮力将相互抵消如下：
V1×s1＝V2×s2
V1代表支点元件111R一侧的基准线圈1R和基准杠杆105R的总体积。距离s1为从支点元件111R到体积V1的重心的距离。V2代表支点元件111R另一侧的基准杠杆105R的体积以及补偿空气位移本体1050R的体积。距离s2为从支点元件111R到体积V2的相应重心的距离。距离sF为从旋转中心（即，从支点元件111R）到由此产生的基准力FREF的距离。在这种情况下，体积V1和V2表示基准杠杆105R的外部体积，该体积与空气位移相关。
如果满足平衡条件V1×s1＝V2×s2，大气压力的效应得到补偿，因为在支点两侧的浮力的计算中，在等式两侧插入空气密度ρL和重力加速度g（ρL×V1×s1＝V2×g×s2）。浮力因此对基准力FREF没有影响。
然而，基准杠杆105R在支点元件111R任一侧的重力分量具有不同的密度ρ1和ρ2。补偿位移本体1050R和基准杠杆105R的相关部分的密度ρ2必须足够小，以使得在基准线圈1R一侧在距离sF处获得所需的基准力FREF：
FREF＝（ρ1－ρ2）×V1×s1×g/sF。
此外，惯性旋转力矩应当小。在惯性力矩取决于距旋转轴的距离的平方时，距离s2应该尽可能短，但是，结果是，补偿位移本体1050R需要相应的较大体积V2。
因此，在测量单元100和基准单元100R的设计方面，必须满足多种需求。可以通过使用整体式构造、优选借助于电火花腐蚀工艺从金属固体机加工的力传递装置以特别有利的方式满足这些需求，该金属固体用于供单元100和100R共同使用。这种整体式构造的力传递装置150在图6中示出，其容许紧凑地设计测量单元100和基准单元100R。整体式形成的力传递装置150包括在图2中已经以示意性形式示出的平行四边形元件101、102、103、104。静止的平行四边形腿103借助于两个导向部件101和102连接到可移动的平行四边形腿104上，该平行四边形腿104将接收需要测量的测量对象的力FMO，且其借助于耦合元件29连接到补偿杠杆105的部件105A上，该补偿杠杆105设置在整体式构造的力传递装置150的内部。具有相关的支点元件111R的基准杠杆105R的部件105R-A形成在静止的平行四边形腿103内。
图7示出了图6的整体式构造的力传递装置150，其配备有补偿线圈1、基准线圈1R、磁体系统2和2R、以及用于测量单元100和基准单元100R的光学传感器单元3、3R。补偿杠杆105和基准杠杆105R的第一部件105-A和105R-A，即结合到整体式构造的力传递装置150中的部件与补偿杠杆105和基准杠杆105R的相应第二部件105-B和105R-B相连，这些第二部件成对构造，并从整体式构造的力传递装置150的两侧旋入第一部件。第二部件105-B和105R-B保持位于相关磁体系统2、2R上的补偿线圈1和基准线圈1R，该磁体系统2、2R分别由栓接到整体式构造的力传递装置150上的悬臂20和20R支承。还示出了位置传感器单元3、3R，其用于记录杠杆105、105R的位移。还示出了两个位移补偿本体1050R，其从整体式构造的力传递装置150的两侧与杠杆105R的相应部件相连。
对于整体式构造的力传递装置150来说，存在许多其他设计可能性。磁体系统2、2R例如可以设置在相反侧上。然而，本布置的优点在于，在机械干扰的情况下，测量单元100和基准单元100R以相同的方式受到影响，因此其对干扰的反应相互抵消。当然，也可以使用整体式构造的力传递装置150，其具有带有若干杠杆的减速机构。（图中示出的称量单元具有两个杠杆，但是，其同样地可以仅仅使用一个杠杆或者几个杠杆）。
通过使用整体式构造的力传递装置，也特别简单地实现一个或多个基准单元103，该基准单元103可产生用于测力装置1000或者其他测量仪器的若干基准信号。
图8示出了带有共用一个磁体系统2-2R的测量单元100和基准单元100R的测力装置1000。例如，在如图6所示的整体式构造的力传递装置150的情况下，这种构思容许更加简单和更加紧凑地设计该装置。磁体系统2-2R在任一侧具有环形气隙，该气隙被设计成用于分别接收补偿线圈1和基准线圈1R。磁体系统2-2R的支架1033在该示例中设有开口120，以允许接近基准线圈1R。除了降低成本之外，本发明的该实施例具有特别的优点，即只有一个磁体系统2-2R需要温度补偿。而且，磁通量的变化同等地影响测量单元100和基准单元100R，因此，在出现变化的情况下，对测量单元和基准单元的影响相互抵消。
图9示出了例如根据图2的基准单元100R，
a）带有第一测量单元100a，其被供给基准电流IREF，
b）带有第二测量单元100b，其中基准电压UREF被应用于应变仪桥接电路上，以及
c）带有第三测量单元100c，其中基准电压UREF被发送至A/D转换器。
第一测量单元100a根据推/拉原理工作并包括提供（发送）数字信号的调制器400，该数字信号是脉宽调制的或者根据西格马-德尔塔（σ-δ）方法调制。这两种方法（PWM和σ-δ）例如在参考文献[8]中进行了描述，该参考文献[8]为University of Strathclyde,Glasgow G11XW，Scotland的电子和电气工程系信号处理部（Signal Processing Division,Dept.OfElectronic and Electrical Engineering）的Scotland,R.Esslinger,G.Gruhler,R.W.Stewart的“基于脉宽调质和西格马－德尔塔环路的数字功率放大器”。
在PWM方法下，由调节单元4提供的模拟反馈信号sA被转换成脉冲对，该脉冲对相互补偿，其宽度可根据待补偿的负荷进行调节，对每对而言，总计组合宽度为1。以这种方式产生的脉冲用于致动开关42a和42b。第一脉冲宽度为1表示在秤上没有负荷。如果两个脉冲的宽度相等，将秤加载到其容量的一半，且如果第二脉冲的宽度等于1，则在秤上具有满容量负荷。负荷的大小因此可通过时钟脉冲在其中一个脉冲的整个宽度（即，持续时间）上的计数来确定。
在σ-δ方法下，由调节单元4提供的模拟反馈信号sA被转换成值为0和1的一系列脉冲，脉冲的数目是可选择的，其平均值表示模拟反馈信号sA的值。值为0的脉冲的数目和值为1的脉冲的数目之间的比率由此表示负荷FMO的量。
在如图10所示的基准单元100R的优选结构中，频率在下限之上的反馈量的信号分量通过高通滤波器43被引导至调节单元44，该调节单元44的输出信号通过电阻45被输送至运算放大器46的非反相输入端，其中所述频率下限优选设定在10Hz至50Hz的范围内，所述运算放大器设置成用于起到阻抗变换器的作用。相称的补偿电流IK由运算放大器46发送至第二基准线圈1Rb，该第二基准线圈1Rb与补偿杠杆105R相连，其中补偿电流IK产生与磁体2的磁场协作的磁场，从而使得高频范围中的干扰被修正。外来干扰的影响因此可通过第二基准线圈1Rb迅速修正，而不会损害第一基准线圈1Ra中的基准电流IREF。基准电流IREF或在一些情况下可能源自于基准电流IREF的基准电压UREF因此仍保持基本上不受干扰。
为了避免第一基准线圈1Ra中的基准电流IREF发生漂移或偏移的可能性，流过第二基准线圈1Rb的补偿电流IK向着积分器47的反相输入被引导，该积分器47的输出通过电阻48返回到运算放大器46的非反相输入，由此建立了伺服回路，其始终将积分器47的输出信号返回到其起始位置。积分器被构造为运算放大器47，其输出通过电阻471和电容器472与其反相输入相连。
由此产生的在第二基准线圈1Rb中流动的DC分量因此以积分形式并带有修正相返回到运算放大器47的非反相输入，由此可以补偿该位置产生的恒定偏差。这种测量用于确保第二基准线圈1Rb仅仅承载与外来高频干扰相关的电流，而不承载用于力补偿的电流。
优选用作秤的根据本发明的测量装置1000已经在优选实施例中进行了描述和说明。然而，根据本发明的基准单元也可有利地与任何其他重力测量仪器或者其他测量仪器结合使用。
测力装置1000的基准单元100R和测量单元100的机电设计以及电子电路设计已经以特别简单的方式或者通过代表性的示例给出。然而，本发明的技术方案也可以使用任何所需结构的基准单元100R和测量单元100，特别是带有任何所需结构的杠杆机构、测量装置、磁体系统、线圈系统和调节系统。
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Claims (17)

1.一种测力装置（1000），其带有测量单元（100），并且还带有用于提供基准电流（IREF）的基准单元（100R），借助于所述基准电流，待测定的测量对象的力（FMO）可通过所述测量单元（100）被测量，其特征在于，所述基准单元（100R）为一测力装置，其加载有基准质量（mREF），并根据电磁力补偿原理产生所述基准电流（IREF），所述基准电流（IREF）可借助于测量装置和调节装置（4R）被控制，由此使得在由一基准杠杆（105R）保持的第一基准线圈（1R，1Ra）中，所述基准电流（IREF）产生一磁场，所述磁场与一基准磁体（2R；2-2R）的磁场相互作用，以使得一磁力施加于所述基准杠杆（105R）上，其中同样作用于所述基准杠杆上的基准质量（mREF）的力（FREF）可由所述磁力补偿。
2.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准电流（IREF）流过一基准电阻（5），以产生跨越所述基准电阻（5）的基准电压（UREF）或将所述基准电流（IREF）转换并用作数字基准量。
3.如权利要求2所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准杠杆（105R）的实际瞬时位置可借助于作为所述测量装置的一光学位置传感器单元（3R）测量，所述光学位置传感器单元（3R）用于提供相应的反馈量，基于所述反馈量和所述调节装置（4R），基准电流（IREF）可以被控制，以使得所述基准杠杆（105R）始终返回到目标位置。
4.如权利要求3所述的测力装置（1000），其特征在于，在所述基准单元（100R）中，频率超过给定值的反馈量的信号分量可由一高通滤波器（43）发送至一调节单元（44），其中所述给定值在10Hz至50Hz的范围内，借助于所述调节单元（44），一放大器（46）可以被控制，以将相应的补偿电流（IK）发送至与所述基准杠杆相连的第二基准线圈（1Rb），其中所述补偿电流（IK）产生一磁场，所述磁场与所述基准磁体（2R）的磁场协作，以使得在频率超过所述给定值的较高频率范围内的干扰作用可以被修正。
5.如权利要求4所述的测力装置（1000），其特征在于，所述补偿电流（IK）可以通过所述第二基准线圈（1Rb）被引导至一积分器（47）的输入，所述积分器（47）的输出返回至所述放大器（46）的输入，由此建立一反馈环路，所述反馈环路始终将所述积分器（47）的输出信号返回至起始位置。
6.如权利要求5所述的测力装置（1000），其特征在于，包括以下特征之一：
（a）在根据应变仪原理工作的测量单元（100）中，由所述基准单元（100R）产生的基准电压（UREF）被应用于一测量桥接电路；
（b）在根据电磁力补偿原理工作的测量单元（100）中，由所述基准单元产生的基准电流（IREF）被切换成交替地流过由一补偿杠杆（105）保持的第一和第二补偿线圈（1a，1b），因此产生一磁场，所述磁场与用于所述测量单元（100）的一磁体系统（2）的磁场协作，以使得一力通过所述补偿杠杆（105）作用于所述测量单元的杠杆机构（101，102，103，104）上，因而同样作用于所述杠杆机构（101，102，103，104）上的测量对象的力（FMO）可由所述测量单元（100）补偿；
（c）所述补偿电流源自于所述基准电压（UREF）或所述基准电流（IREF）；
（d）所述测量单元（100）包括A/D转换器，所述A/D转换器能够接收和使用所述基准电压（UREF）或基准电流（IREF）并将其作为基准量，借助于所述基准量，所述测量对象（mMO）的测量信号（sMO）可以被数字化。
7.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准杠杆（105R）通过一支点元件（111R）连接到所述测量单元（100）的杠杆机构的静止部件（103）上或所述基准杠杆（105R）和所述测量单元的杠杆机构（101，102，103，104）至少部分地结合到一整体式构造的力传递机构（150）中，或仅仅所述基准单元（100R）通过一整体式构造的力传递装置实现。
8.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，设置一磁体系统（2-2R），以共用于所述测量单元（100）和所述基准单元（100R），其中所述磁体系统（2-2R）的一侧的磁场与一补偿线圈（1）的磁场协作，所述磁体系统（2-2R）的另一侧的磁场与所述基准线圈（1R）的磁场协作。
9.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准线圈（1R）形成所述基准质量（mREF）。
10.如权利要求7所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准线圈（1R）和位于所述支点元件（111R）的一侧的基准杠杆（105R）的部件的体积（V1）被至少一个补偿位移本体（1050R）和位于所述支点元件（111R）的另一侧的基准杠杆（105R）的部件的体积（V2）补偿，以使得当考虑重心与所述基准杠杆（105R）的支点之间的距离（s1，s2）时，即使大气压发生变化，在任一侧产生的浮力也大致彼此平衡。
11.如权利要求10所述的测力装置（1000），其特征在于，所述至少一个补偿位移本体（1050R）中的至少一个是可更换的或从所述支点元件（111R）至所述补偿位移本体（1050R）的距离是可调节的。
12.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准单元（100R）设置在一气密外壳中。
13.如权利要求12所述的测力装置（1000），其特征在于，所述气密外壳被抽真空。
14.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，用于所述测量单元（100）和所述基准单元（100R）的磁体系统（2，2R）的温度、所述测量单元（100）的线圈（1；1a，1b）的温度和所述基准单元（100R）的温度中的至少一个可以被测量并用于修正测量值。
15.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准单元（100R）包括至少一个用于所述基准单元的特定数据和识别码的存储器。
16.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准单元（100R）包括电气和机械接口。
17.如权利要求1所述的测力装置（1000），其特征在于，所述基准单元（100R）作为一微型机电系统实施。
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Kessling G ET AL..A Weighing device for use on a ship.Measurement science and technology.Bristol,GB,1993,(4),1035-1042. *

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