CN1029028C - 电子秤 - Google Patents

Abstract

一种用电磁力转换器产生的力平衡所称物体重量的电子秤，由脉冲高度不变而脉冲占空系数随重量变化的脉冲电流供给电力，电子秤包括向电磁力转换器的力平衡线圈组件提供脉冲电流的若干个脉冲电流源，用于根据秤重盘位移传感器输出的位移数据将具有电磁力转换器的称重盘上的负载量值划分为若干个顺序部分并将其提供给电磁力转换器的数据处理装置，用于根据数据处理装置划定的各序列部分决定各脉冲电流的占空系数的确定装置。

Description

本发明涉及精密电子秤，特别是那样包含有带有可产生一个与被称量物体重量相平衡的力的电磁力转换器的伺服系统的电子秤。

在这种电子秤中，电磁力转换器或是在稳定的直流电流下或是在脉冲电流下进行工作，且当伺服系统进入并保持在其平衡状态时，由它提供给力转换器的“平衡电流”决定着被称物体的重量。如果该平衡电流是稳定的直流电流，则其电流值与物体重量值相对应;如果该平衡电流是脉冲电流，则物体重量可由占空系数或脉冲宽度给出。

若使用稳定的直流电流，因为测量是通过对电流值的数字化处理而实现的，故对电流的精密测量需要有高分辨力AD转换系统。但是，高分辨力AD转换系统的使用，不仅会提高秤的价格，而且往往还使秤完成其一个重量测量的操作时间相对较长。而且，整个伺服系统必须要在长时间内保持非常好的稳定，以满足测量需要。

若力转换器是在脉冲电流驱动下运行，则脉冲的占空系数将随对重量的平衡状态而变化，并将通过测量可给出占空系数的脉冲宽度来测定物体的重量。这一测量是通过对包含在与该脉冲宽度相同的时间间隔内的时钟脉冲数进行计数而实现的。在这种情况下，脉冲电流的周期必须保持为2毫秒或是更短的时间，以避免秤发生振动。若使用30MHz的时钟脉冲，则时钟脉冲在这一脉冲宽度内可计数的数目的最大限定为60，000（16位二进制数位），因而难于获得高分辨精度的称量值。这一可计数的最大数目还相当于现有的商业计数器的集成电路的容量。尽管，比如说，已公开的日本专利No54-48277中已提出了克服、由对时钟脉冲计数的限制所产生的缺点的方法，但由于该申请所公开的技术包含有积分处理技术，从而使得秤的结构更为复杂。

现有的另一种改进的方法是，采用伺服系统以进行微调，并采用一个系列脉冲电流源以产生其脉冲宽度彼此不连续的若干个脉冲电流。物体的重量先由上述若干脉冲电流中的一个近似进行平衡，其重量的差额然后再通过伺服系统进行精细修正。这种方法也有一个缺点，即在称量过程中，比如说，在称量某些物品时，若施加在秤上的重量负载发生连续地或突然地变化时，则由于伺服系统中的PID控制回路的响应特性，可能会产生暂时性的对脉冲电流的错误选择，进而往往使秤发生过摆（Overswing），使重量值的显示有较大波动。

本发明的目的之一是提供一种与常规电子秤相比在响应速度及分辨能力两方面均有所改进的电子秤。

本发明的另一个目的是改进电子秤的结构，使其可显示重量值，可保持稳定，并可以抗外界干扰。

为实现上述目的，本发明电子秤中的伺服系统具有一个电磁力转换器，后者可在具有不同高度和占空系数的一系列脉冲电流的作用下运行。这些不同的脉冲电流的值与被称物体的总重量值的各个部分相对应。而且，对其重量值的显示可设计的，它仅根据作为伺服机构一部分的PID控制回路的积分回路部分的输出值进行显示。

下面参照附图对本发明作进一步详细说明。

图1示出了本发明的方块结构图。

图2示出了可用于本发明的AD转换器。

图3（a）、3（b）示出了重量值显示板的两个实例。

图4示出了本发明另一实施例的部分结构。

图5示出了本发明另一不同的实施例的部分结构。

图6示出了PID回路的特征曲线图。

图7示出了适用于本发明各实施例的一部分回路的改进回路。

图8（a）、8（b）、8（c）示出了称重盘位移传感器。

参照图1，作为本发明一个实施例的电子秤，它包括有一电磁力转换器1，该电磁力转换器1具有两个力平衡线圈13、14，且线圈13、14通过盘支承物12与称重盘11机械联接。力平衡线圈13、14通过各自的开关装置Sa、Sb分别联接于直流电流源2a、2b。两直流电流源分别产生电流i₁和i₂，两开关装置Sa、Sb分别由脉冲宽度控制回路6a和6b控制，以便将具有彼此不同的脉冲宽度和占空系数的脉冲电流分别提供给力线圈13和14。称重盘11的位移由位移传感器15转换为电信号，并通过放大器3输入到模数转换器（AD）4，从而使称重盘11由于加载而产生的位移数字化，然后再将该数字信号输入到数字式PID回路51，由该回路输出一个有关称重盘11位移的位移数据Q。该位移数据Q被输入到数据处理回路52，该回路52据此产生两个脉冲宽度确定信号PD₁和PD₂，这两个信号PD₁、PD₂分别对应于数据Q的两序列部分的较高者和较低者。脉冲宽度确定信号PD₁和PD₂分别传输到前述的脉冲宽度控制回路6a和6b，由于控制回路6a、6b控制着开关装置Sa、Sb，将使得开关Sa、Sb仅在分别正比于PD₁、PD₂的时间周期T₁、T₂内接通。而且，若用附装在电磁力转换器1上的温度传感器16的输出对直流电流源2a、2b实施控制，可对电磁力转换1所具有的温度特性进行补偿。

这样，在预定的采样时间间隔T内，比如说，在1毫秒内，每当AD转换器4输出一个称重盘位移信号，电磁力转换器1的两个力平衡线圈13、14就分别被供给可具有不同的脉冲高度和占空系数的脉冲电流。这两个电流的脉冲高度分别为i₁和i₂，而占空系数分别为T₁/T和T₂/T。通过对T₁和T₂的设置，而使PD₁和PD₂的极限有效值间的关系满足PD₂的最大值所产生的效果等于PD₁的最小值所产生的效果，是相当重量的。换句话说就是，施加到力平衡线圈13上的具有最小脉冲宽度的脉冲电流所产生的作用力，应等于施加到力平衡线圈14上的具有最大脉冲宽度的脉冲电流所产生的作用力。当然，由力线圈13、14所产生的平衡力的范围，在它们的边缘区域也可以部分地重叠。从上面的说明不难理解，力平衡线圈13、14是同时被施加上它们各自的脉冲电流的，且力线圈13用于负载的较大部分，力线圈14用于同一负载的较小部分。

为了显示其重量，可以将上述两个数字式脉冲宽度确定信号PD₁、PD₂输入到加权回路53。在该加权回路53中，根据信号PD₁、PD₂在由力平衡线圈13、14所产生的总的平衡力中各自占有的比例而对其进行加权。加权后的PD₁、PD₂的总和，作为总的重量值显示在显示器7上。加权回路53的结构可为具有零点补偿功能和扣除皮重功能的结构。

在上述的对本发明实施例的主要部分的描述之后，下面描述其AD转换器4的一具体实例。

如图2所示，AD转换器4可由，比如说，锯齿波发生器41，比较器42，“与”门43，计数器44和时钟脉冲发生器45构成。比较器42用于比较从放大器3得到的称重盘位移的信号和从锯齿波发生器41输出的信号，并且当锯齿波发生器41的输出电平低于放大器3输出的位移信号时，比较器42的输出保持为高电平。时钟脉冲发生器45输出的时钟脉冲通过“与”门42，并和比较器的输出一作为门信号。计数器44在每一个锯齿波的下降边被复位，并可以对通过“与”门43的时钟脉冲进行计数。用这种方法，在每一个等于锯齿波发生器41输出的锯齿波的周期的时间间隔内，可成功地获得数字化的位移数据。锯齿波的周期可以为，比如说，1毫秒。

在如图2所示的上述AD转换器中，如果锯齿波的周期为1毫秒，且时钟脉冲频率为30MHz，则由计数器44可计数的最大时钟脉冲数目为3×10⁴。如果电子秤的满量程为200克，其分辨能力为0.01毫克，则最大的可显示计数的数目为2×10⁷。对于这种情况，如果负载有重物的秤相应于上述最大计数数目2×10⁷进行计数，则随着反方向位移的产生，在3×10⁴与某一预定的基本数值之间的差将被一次、次地放大。但是，如果上述的差并不足够大，则这一放大将持续很长时间。在这种情况下，若采用非线性控制操作，可缩短该放大所需的时间。

如果采用数字输出型传感器，比如说，CCD线性传感器，作为位移传感器15，则AD转换器4可被省略。而且，对于本发明的这种实施例，脉冲电流发生装置的数目并不限于两个。这个实施例可以被改型，因为一系列脉冲电流可相互叠加地提供到一个线圈上，故其改型可以采用只具有一个力平衡线圈力的转换器。显然，用于上述实施例及其改型中的直流脉冲电流可由交流脉冲电流所取代。

根据本发明的设计，秤还可以具有如下结构，即采用通过某些如键盘类的设置设定脉冲宽度确定数据（PD₁′PD₂′）的方法，使其产生的平衡力能相应于某一预先确定的、作为目标重量的力。因此，若在称重过程中使用具有这种结构的秤，当秤上一加有负载，便可以立刻显示出物体重量和目标重量值之间的差。因此，显示的响应速度将得到改善。图3（a）和图3（b）示出了这种秤的显示板的两个实例。在图3（a）中，在目标重量值（61）的数字显示的上方，是被称物体的重量与目标重量之差的数字显示（62）;而图3（b）示出了这一差值的模拟式显示的一个例子，这一差值显示在位于数字显示63上方的显示元件64中。

图4示出了本发明另一个实施例的一部分结构。在这个实施例中，图1中的数字式PID回路51被一个模拟式PID回路51a所取代，其它结构与图1所示的实施例相同。对于这一实施例，因为微机部分5（参见图1）并未包含有数字式PID回路，故微机部分5中的CPU（未图示）并不需要在相应的高速度下运行。

图5是本发明的另一个实施例的部分结构图。在这一实施例中，比例积分微分控制回路PID被分为一个模拟式的比例微分回路PD51b和一个数字式的积分回路I51C。

该实施例的其它结构与图1所示实施例相同。这一实施例的优点是，因为积分操作是在数字化之后进行的，故对AD转换器4的容量的要求相对较小。

所有的上述实施例均可以进一步改进，以使其重量值的显示保持稳定，克服可能出现的外界干扰。在这种改型中，用于显示重量值的数据，仅由PID回路的积分操作部分获得。图6示出了用于分析的一个典型的对振动干扰的PID响应曲线。构成总体的PID响应的三个分量中，P（比例）和D（微分）分量对干扰反应敏感，而I（积分）分量则相对不敏感。因此，如果只显示由PID控制回路中的积分部分输出的重量值，则可以获得稳定的显示。图7示出了根据这一个方案所设计的一个PID控制系统的方块图。虽然在图7中，示出的PID系统是一个仅示出了主要组件的模拟系统，但通过对系统的部分或全部进行数字化处理，可将它很容易地运用到前面的各实施例中。

下面描述的是可用于本发明中的称重盘位移传感器的一些实例。一个实例如图8（a）所示，它由一个微型光敏组件15a，一个往组件15a上发射发散光束的光学系统，和一个用于可部分地遮断光束并固定于称重盘11的支承物12上的光栏S构成。当光栏和称重盘11一起移动时，通过所产生的微型光敏组件15a上的受照射区域的变化，使称重盘的位移被检测出并转换成电信号。在图8（b）和图（c）所示的实例中，所利用的是振荡器15b和15c的频率变化。在图8（b）中，构成振荡器15b的振荡回路中的电容器的一个电极固定在称重盘11的支承物12上，从而可使电容性的频率变化相应于称重盘11的移动变化。在图8（c）中，一个铁芯固定在称重盘11的支承物12上，并以可移动方式插入到线圈中，该线圈是构成振荡器15c的振荡回路的一部分，从而可产生相应的电感性频率变化。

Claims (1)

1、一种电子秤，用以对放在称重盘上的一个重物称重，该称重盘借助电磁力转换器产生的力使上述重物平衡，该电磁力转换器具有一个力平衡线圈组件，根据所述的重物提供具有可控占空系统的脉冲电流，其特征在于：

多个脉冲电流产生装置，向上述电磁力转换器的上述平衡力线圈组件提供脉冲电流。

位移数据输出装置，用以检测上述称重盘的位移量，

PID运算装置，对来自上述位移数据输出装置的输出执行PID运算，

数据处理装置，根据上述PID运算装置的输出和与多个区域内的比特相对应的数据确定一个占空系数，以此为来自每个上述的脉冲电流产生装置的脉冲电流给定上述的占空系数。

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