CN103292879A - 具有光电位置传感器的、基于磁力补偿原理的称量单元 - Google Patents

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Abstract

称量单元，有固定基底部分；负载接收器，约束到基底部分；永磁体，有气隙；线圈，悬在气隙，及引导补偿电流流动；及力传递连接件，在负载接收器和线圈之间。光电位置传感器，有：光源、光接收器和光闸片，该片连接该连接件，光源和光接收器的中点限定光轴，它们被布置成在间隔对面相对，及光闸片在它们间可移动地布置在光闸距离处。光接收器产生与光闸片偏离零位置的偏移量对应的位置传感器信号，偏移量是负载在负载接收室产生，控制器工作，响应信号来调节补偿电流，光闸片和连接到光闸片的称量单元的活动部分借助线圈和永磁体系统间的电磁力返回零位置。光闸距离在间隔的子区段，该子区段邻接光接收器并子区段在不超过1/3的间隔上延伸。

Description

具有光电位置传感器的、基于磁力补偿原理的称量单元
技术领域
本发明涉及一种秤或者称量单元，该秤或者称量单元基于磁力补偿原理并且包括光电位置传感器。
背景技术
电磁力补偿原理在用于商业、工业和实验室中的各种称重仪器中具有广泛应用。这个原理具有特别的优点，即利用它可以实现极好测量精确度的称重仪器。基于电磁力补偿原理的分析秤具有这样的能力，例如确定具有0.01毫克测量分辨率的100克称量负载，即具有一千万之一的精确度。
本发明涉及的这种秤或者称量单元具有：固定基底部分；负载接收器，它可移动地被约束到基底部分并且用来接收称量负载；永磁体系统，它优选地安装在基底部分和具有气隙；线圈，它可移动地悬在气隙中并且引导补偿电流的流动；及力传递机构，它把负载接收器连接到线圈上。传感器信号与移动距离相应的光电位置传感器典型地包括光源和光接收器，其中当该负载设定在负载接收器上时，秤的互连可移动部分与零位置相偏离该移动距离，该光接收器在最大多数情况下安装在基底部分上，并且在它们之间具有空间间隔；及光闸片，它切割通过空间间隔，并且参与可移动部分的偏移。位置传感器的信号被发送到控制器，该控制器在响应时以这样的方式调节补偿电流，即作为线圈和永磁体之间的电磁力的结果，光闸片和连接到光闸片上的秤的可移动部分返回到零位置。换句话说，该调节具有这样效果，即电磁补偿力抵消了称量负载。假定根据电磁学定律，线圈电流大小和合力相互成比例，那么通过测量线圈电流可以确定放置在负载接收器上的称量负载的重力。
在上面所述的领域内，本发明集中在光电位置传感器上、尤其是位置传感器的几何形状上，即构件在位置传感器装置内的相对尺寸和空间关系，该位置传感器装置包括光源、光接收器和光闸片。光接收器在大多数情况下包括具有至少一个光敏区域或者构件的光电二极管。光电二极管是半导体构件，该构件在暴露于光时产生电流，在一定范围内，该电流与入射光的量成比例。
光闸片常常具有狭缝形通道开口，但其它形状的、用来通过光的开口也是可能的，例如圆形孔或者伸长形孔洞。光接收器可以被配置成光电二极管的两个分开的光敏区域，这两个区域在微分电路装置中工作。当光闸片偏离它的零位置时，这将引起光接收器上的照明图像移动，因此这些光敏区域中的一个将接收更多的光，同时其他光敏区域接收的光较少。相应地，在光闸片的偏移位置上，由两个光敏区域所产生的各自电流相互不同，其中由两个光敏区域的微分电路布置所测得的电流差值代表光接收器的电输出信号、即位置传感器信号。该偏移和电位置传感器信号之间的函数关系也称为位置传感器的特性。
电磁补偿秤的位置传感器所不得不遇到的主要要求是，零位置即光闸片的具体位置(在该位置上，产生了传感器信号从负值到正值的零相交)需要最高精确度地和最高再现性地被保持。零点灵敏度即在其零相交处特性的倾斜度因此实际上应该尽可能地陡峭，从而纳米级的偏移量产生了明显的可测量的传感器信号。
此外，在光闸片的移动范围上所画出的传感器信号的图表、即位置传感器的特性，在同一生产过程内及还对于任何单独称量单元而言在后者例如受到温度波动、冲击或者震动时，从一个称量单元到下一个称量单元应该接近再现。
最后，作为另一个理想特性，位置传感器的特性利用良好近似法应遵随线性轮廓。尤其地，传感器信号应该与光闸片的偏移量成比例。传感器信号的直线性要求、更加具体地说是成比例要求在与电磁力补偿的控制电路有关的其它因素之中，该电磁力补偿的控制电路优选地设计成所谓的PID控制器，意味着补偿力和因此作为控制电路输出所产生的线圈电流表示与偏移量大小成比例的分量P、与偏移量的时间积分成比例的分量I和与偏移量的时间导数成比例的分量D的称量总和。为了确保线圈电流的三个分量P、I、D的各自比例，因此传感器信号显然应该尽可能与偏移量成比例。
将位置传感器视为光学投影系统的方法例如公开在CH463137中，其中电磁补偿秤被示成，平衡梁在一端具有悬着的称重盘，及在另一端具有带狭缝形通道开口的光闸片，该通道开口延伸到位于光源和光接收器之间的空间间隔内。光学系统用来改善或者提高光源的光学图像，该光学图像被投影到光接收器上，该光学系统在上述参考文献中的图1中以基本方式表示成透镜，该透镜各布置在光路中在光闸片之前和之后。但是，光学透镜在位置传感器光路中的这种装置需要合适地定尺寸，即通常较长的从光闸片到光源和到光接收器的距离，该要求尤其在紧凑的单片设计的称量单元中是不可能满足的。此外，该制造的成本被增加了。
在U.S.5，338，902中所提出的技术方案的目的是通过机械装置来提高电磁补偿秤的位置传感器的灵敏度。光源和光接收器在这种情况下不安装在秤的底盘基底的固定位置上，该底盘基底是传统的装置，但是布置在长的悬臂上，该悬臂牢固地连接到秤的可移动负载接收器上，因此光源和光接收器与负载接收器一起上下移动。可枢转地支撑在秤的固定底盘基底上的两臂杠杆在一侧被连接到秤的负载接受机上，并且在另一端具有光闸片，因此，在负载接收器向下移动时，光闸片向上移动，及反之亦然。因此，光闸片与沿着相反方向移动的光源和光接收器相一致地上下移动，其结果是，光闸片相对于光源和光接收器具有较大的相对移动。因此，与光源和光接收器的传统固定布置相比，负载接受机的相同偏移量使得产生了更强的位置传感器信号。利用这种概念，还具有一些实际问题，因为悬臂不得不通过称量单元的一部分，该一部分在许多情况下已被上述力传递机构所占有，该力传递机构把负载接收器连接到补偿线圈。
在根据U.S.3，805，907的光电位置传感器中，光源由发光二极管构成，并且光接收器由微分电路装置中的两个光电晶体管形成。光电晶体管在直径上相互对称地装置在载体盘的表面上，该载体盘可旋转地安装在秤的固定底盘框架上。借助转动该载体盘，可以调整灵敏度特性，即传感器信号在光闸片偏移量上的函数相关性。关于光学投影系统的几何形状，它明确地表明，位于光接收器的两个光敏表面部分之间的距离相应于狭缝孔的宽度，光源的该发光表面尽可能地靠近光闸片，光接收器的光敏表面区域是圆形，及光源的发光表面稍微宽于狭缝孔，尤其是1.5倍的狭缝孔宽度。在这里，产生了缺陷，即具有光接收器圆形光敏表面部分的这种装置的上述特性或者灵敏度图表在光闸片的整个偏移范围上决不是线性，而是随着偏移量的增加，它的倾斜角度可以变得例如逐渐陡峭或者逐渐较窄。
公知的现有技术包括具有电磁力补偿的称量单元，它具有位置传感器，其中，光闸片布置在接近位于光源和光接收器之间的中间的光闸平面上。在称量单元的制造过程中所产生的光闸平面位置的稍稍变化，将导致传感器单元灵敏度的随意改变。因此它需要一定产品来在称量单元的制造过程中单个地调整每个单元，这增加了制造成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于秤的位置传感器，该秤基于电磁力补偿原理，其中，与目前的现有技术相比，更大程度地满足了零位置的精确度和再现性及灵敏度特性的再现性和线性的上述主要要求。这个目的通过最佳适合于制造要求的原理来实现。
这个目的通过一种秤或者称量单元来实现，该秤或者称量单元基于电磁力补偿原理并且具有根据独立权利要求1所述的光电位置传感器。
本发明的其他实施例和细节在从属权利要求中描述。
根据电磁力补偿原理的称量单元包括：固定基底部分；负载接收器，它被约束到基底部分具有有导向的运动性并且用来接受称量负载的重力；永磁体系统，它具有气隙；线圈，它可移动地悬在气隙中，及在以称量模式进行工作时引导补偿电流的流动；力传递机械连接件，它位于负载接收器和线圈之间。称量单元还包括光电位置传感器和控制器，该控制器响应位置传感器的信号以这样的方式调节补偿电流，即，通过其到线圈的连接，线圈和负载接收器借助线圈和永磁体之间的电磁力返回到它们的零位置。位置传感器包括光源和光接收器，该光源和光接收器被布置成横跨空间间隔彼此面对，并且该光源和光接收器的中点限定出位置传感器的光轴线，该位置传感器还包括光闸片（shutter vane），该光闸片牢固地连接到可移动的力传递连接部上，并且实质上与光闸平面内的光门(light gate)一样在该空间间隔中移动，该光闸平面垂直于光轴线地延伸。
光接收器用来产生与光闸片从零位置的偏移相对应的位置传感器信号，该偏移通过把负载放置在负载接收器上来产生。是该装置的一部分的控制器用来响应位置传感器信号以这样的方式调节补偿电流，即光闸片和连接到光闸片上的称量单元的可移动部分借助作用在线圈和永磁体系统之间的电磁力被返回到零位置。
包括光闸片并且垂直地与光轴线相交的平面在下文中被称为光闸平面。
根据本发明，光闸距离（shutter distance）位于空间间隔的子区段中，所述子区段邻接光接收器并且比空间间隔小几倍，这意味着，该子区段在不超过空间间隔的1/3上延伸。换句话说，光轴线与光闸平面的相交点位于所选择的空间间隔的子区段内，所述子区段定位成邻近光接收器，它的长度相当大程度地短于空间间隔，并且仅占空间间隔的一小部分。该小部分为最大1/3、优选为整个空间间隔的1/4。
根据本发明的装置，其中，与光源相比，光闸片被定位成更加靠近光接收器几倍，在原理上不同于把光闸片布置成大致在中部，即与光源和光接收器等距离的传统实践。尤其地，该装置也与所引用的现有技术U.S.3，805，907不同，其中光闸片被布置成尽可能靠近光源。
优选地，永磁体系统牢固地安装在基底部分上。同样地，光电位置传感器优选地紧固在基底部分的固定位置上。
位置传感器信号是光闸片偏移（deflection）的函数，这样它也可以被称为位置传感器的信号函数或者特性，它相对于偏移的导数在下文中称为位置传感器的灵敏度。
在优选布置中，子区段由于下面的事实而不同于空间间隔的剩余部分：位置传感器的标准化灵敏度（normalized sensitivity），相应于位置传感器信号关于偏移的导数并且与标准化常数的比例，基本上采用它的最大值。具体地，与标准化常数成比例的位置传感器信号函数至少在偏移的有限范围内基本上是线性的，其中所述有限范围随着光闸距离的减小而增大。
在其内光闸片可以与光接收器间隔开的空间间隔的上述子区段与该空间间隔的剩余部分的不同之处在于有利的性能，即在偏移的上述有限范围内的标准化灵敏度不会明显受到光闸距离变化的影响。
作为实验的令人惊讶主要结果，产生了这样的发现即在光源和光接收器之间的空间间隔内具有子区段，在该子区段内对于信号函数在零位置处具有陡倾斜角度、良好线性及不随着光闸平面沿着光轴线的移动而变化的上述条件基本上得到满足，并且这个子区段邻近光接收器，该实验被进行并且在下面借助图表来更加详细地描述。
光闸片在通过零位置时刻的移动限定出Z方向，该Z方向垂直于光轴线的Y方向地延伸，及同时限定出垂直于Y方向和Z方向的X方向。光闸平面垂直于光轴线地延伸并且因此与x/z平面重合。严格地讲，光闸片的移动只在其刚好通过零位置的时刻沿着z方向进行，然而在别的时刻由于圆形偏移路径而弯曲离开z方向。
在有利的实施例中，光闸片的偏移范围由停止部来界定。有利的是，光闸片包括通道开口，明确地说是沿着z方向具有给定宽度的狭缝孔。但是，该通道开口也可以具有圆形或者伸长形孔洞的形状。
在本发明的另一个有利改进中，光源包括发光二极管，该二极管被嵌入到载体台中。光接收器优选地包括至少一个沿着z方向具有给定高度的光敏表面区域。
当以称量模式工作时，从光源辐射的光通过狭缝孔把照明图像投影到光接收器的光敏表面区域上。狭缝孔的宽度或者通道开口的直径、空间间隔、光闸片离光接收器的距离、光源的发光表面区域的直径、光接收器的光敏区域的高度和光接收器的整个偏移幅度之间的尺寸关系被如此地设计，即，即使是整个幅度（full-amplitude）偏移，照明图像将落入光敏光接收器区域的高度内。
根据本发明的另一个方面，光接收器包括具有两个分开的光敏表面区域的微分(differential)光电二极管，该两个区域在微分电路装置中工作，具有相等的矩形形状和尺寸大小，并且在分开带的相反侧部上相互分开一距离，该分开带沿着x方向延伸并且沿着z方向比较窄。该矩形表面由两个光敏表面区域构成，及分开带的特征尤其在于它沿着z方向的总高度。
响应于通过狭缝孔从光源所接收的光的分布，第一光敏表面区域产生了第一电流，及第二光敏表面区域产生了第二电流，这两个电流之间的差异体现了相应于光闸片的偏移的传感器信号。
有利的是，借助反馈控制器以这样的方式来调整光源的供电，即，相应于落在第一和第二光敏区域上的光的总量的该电流的和保持不变。
现在保持不变的该电流的和被用来用作上述标准化常数，以把位置传感器信号S转换成标准化位置传感器信号，并且把灵敏度转换成标准化灵敏度。
从上述实验中所得出的另一个重要结论涉及通道开口，更加具体地说(如果通道开口是狭缝形状)是光闸片的狭缝孔的宽度。一方面，尽可能多的光应该从光源通过狭缝孔落到光接收器上，从而获得可靠的传感器信号，但是另一方面，已经发现，利用光闸平面靠近光接收器的本发明布置，如果没有超过狭缝孔的一定最大宽度，那么可以最佳地满足上述条件。借助考虑下面这些可以确定该最大宽度：即使在光闸片的全幅度偏移处，入射光所填满的表面区域(包括从完全照明的中央区域到非照明周围区域的过渡部位)应该完全位于光接收器的光敏表面区域内。
此外，详细的研究结果获得一些特别的结论，这些结论可以用来使位置传感器布置最佳化，并且在下面详细描述中借助附图来解释。
附图说明
根据本发明的称量单元的细节在下文中被描述并且被示出在附图和图表中。在所示出的构件从一个附图到另一个附图是相同的情况下，它们用相同的标记来标记。在附图中：
图1以示意图示出了具有电磁力补偿的秤的例子；
图2示出了具有光源、光接收器和光闸片的光电位置传感器；
图3示出了三维图表，该图表以计算机模型为基础并用来体现本发明的原理；及
图4是位置传感器的光线几何形状的图表，该图表用来示出本发明的狭缝孔的宽度尺寸。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了具有电磁力补偿和光电位置传感器的秤或者称量单元1。加入直角坐标系作为空间方位的基准，该坐标系的x和z轴位于图1的附图平面内，而y轴线指向位于附图平面后面的半空间(half-space)。所示出的构件包括：固定基底部分2；负载接收器3，它被约束到基底部分2为了有导向的运动性并且用来接收称量负载4的重力；杯形永磁体系统5，它具有气隙6(在横截面视图中)，该系统刚性地安装在基底部分2上；线圈8，它可移动地悬在气隙6中并且引导补偿电流7的流动；及力传递机械连接件9，它位于负载接收器3和线圈8之间，在这里示成平衡梁的形状。光电位置传感器(在Y方向的视图中以符号表示示出在图1中和在X方向的视图中详细地画出在图2中)产生了位置传感器信号S，该位置传感器信号S与线圈8与它的零位置之间的偏移量z一致，该偏移是由于把负载4放置在负载接收器3上而产生的。该零位置借助示出相互对准的箭头10和12、13在图1中象征性地表示，其中连接到基底部分2的箭头12、13象征性地表示光源12和光接收器13，该光源12和光接收器13被布置在基底部分2上，横跨空间间隔彼此面对(参见图2)。连接到平衡梁9上的箭头10表示具有狭缝形通道开口11的光闸片10，该光闸片10在双箭头20所示的空间间隔内上下移动(参见图2)并且因此借助调制从光源12流到光接收器13中的光流产生了位置传感器信号S。位置传感器的信号S被输送到反馈控制器15，该控制器15响应信号S而以这样的方式来调整补偿电流7，即，作用在线圈8和永磁体5之间的电磁力使光闸片10与平衡梁9、线圈8和负载接收器3一起返回到零位置，在该位置上，电磁补偿力与称量负载4平衡。根据电磁学定律，补偿力与线圈电流7成比例，及因此，借助测量线圈电流7可以确定放置在负载接收器3上的称量负载4的重量。
图2的目的尤其是利用字母符号来指明几何尺寸。光源12和光接收器13被布置成横跨空间间隔d彼此面对。光闸平面16在该空间间隔的子区段u内位于离光接收器13的距离dB处，光闸片10在光闸平面16中可以在-a≤z≤a的偏移范围内沿着Z方向上下移动，其中该子区段u与光接收器13邻接。狭缝形通道开口11沿着X方向延伸，该通道开口在上面已经被限定，并且具有狭缝宽度b。
本发明典型实施例的光源12由发光二极管17构成，该发光二极管被嵌入到载体台18中并且位于在凹进部19的中心。
与在典型实施例中的一样，光接收器13由微分光电二极管构成，该光电二极管具有两个分开的光敏表面区域21和22，该光敏表面区域21和22具有相同的直角形状和尺寸、在微分电路布置中工作，该两个表面区域在相对较窄的分开带23的相反侧上相互隔开距离t，该分开带沿着x方向延伸。该两个光敏表面区域21、22具有沿着z方向的总高度h和沿着x方向的总宽度。
如已经所述那样，用于位置测量的光接收器13的功能基于如下事实：光闸片10的偏移量、即至离零位置的距离z的偏移具有这样的效果，即两个光敏构件将产生不同大小的电流I1和I2，其中电流差值S=(I1-I2)表示光接收器的电输出信号、即位置信号S。位置传感器信号函数S(z)、即偏移量z和位置传感器信号S之间的函数关系可以表示成图表，该图表称为位置传感器的特性。如果光敏表面区域21、22的电路布置和几何形状是对称的，那么在负偏移量-z处所产生的信号S(-z)将等于并相反于在正偏移量z处产生的信号S(z)。相应地，特性S(z)是奇函数，即S(-z)=-S(z)，并且它的图示相对于原点是点对称的。图表的倾斜度即位置传感器信号函数的导数dS/dz在下文中也称为位置传感器的灵敏度E。
为了不依赖于不同情况下可以改变的光源照明强度来评估位置传感器信号函数S(z)，因此考虑标准化的、无尺寸的位置传感器信号S*=(I1-I2)/(I1+I2)是方便的。这种标准化的位置传感器信号S*的导数dS*/dz在下文中称为以单位[mm-1]所测得的位置传感器的标准化灵敏度E*。
在根据下面描述的本发明的位置传感器的优选实施例中，以这样的方式以电子方式调整光源的光强度，从而和(I1+I2)保持不变。利用标准化常数N=I1+I2，标准化位置传感器信号函数可以表达为：
S*=(I1-I2)/N=S/N
标准化灵敏度
dS*/dz=(1/N)×dS/dz
其中
E=dS/dz
可以被表达成如下：
E*=E/N
图3以三维图表示出了作为偏移量z的和光闸平面离光源的距离y的函数的标准化灵敏度E*。该图表是基于具有这样的尺寸的位置传感器的理论模式，即该尺寸是根据本发明位置传感器的实践实施例的典型的尺寸，即光闸平面离光源的距离d=8mm，光闸片的偏移范围a=±0.2mm，微分光电二极管的光敏表面区域的结合总高度h大约为1.4mm，在微分光电二极管的两个光敏表面区域21和22之间的分开带23的宽度t大约为0.1mm，及狭缝孔的宽度b为大约0.7mm。该图表示出，随着光闸平面离光源的距离y增大，标准化灵敏度E*在从y=4mm至6mm的范围内急剧增大，但是采用大约5mm-1的接近不变的值，或者至少在邻近光接收器的三角稳定状态区域内在y>6mm处以小得多的倾斜度而增大。
对于在与刚才所描述的至少相同级别的幅度内成比例的尺寸的图2位置传感器，因此图3的图表得到关于光闸平面位置的结论，即在从光源到光接收器的空间间隔d内，存在子区段u，在该子区段中，1.)标准化灵敏度达到它的最大值；2.)标准化灵敏度在偏移范围z上几乎保持不变，该偏移范围z位于三角形内，从而表明信号函数S(z)在该z的范围内是线性的，及3.)即使光闸平面沿着光轴y的位置变化，三角形范围内的标准灵敏度也保持不变。
如上所述那样，根据本发明的位置传感器的优选实施例的光源的光强度以这样的方式进行电子调节，即，由光接收器的两个光敏表面区域所产生的电流(I1+I2)的和保持不变。除比例因数N=I1+I2之外，图3的图表和从它所得到的前述结论因此同样适用于非标准灵敏度E。
在图3所示出的典型例子中，从三角形平稳状态区域的顶点P到光接收器表面的子区段u总计大约从光源到光接收器的空间间隔d的1/4。但是，下面这些是建议的，把光闸平面布置成甚至更靠近光接收器，从而，如果光闸平面的位置沿着y方向移动，那么不仅在z=0的附近，而且在偏移量z的更大范围上灵敏度将保持不变。另一方面，光闸片应与光接收器隔开足够远，从而毫无问题地适应该光接收器的生产公差，即绝对防止了在光闸片和光接收器之间的任何直接接触或者以及灰尘桥接的形成。在具有上面给定的尺寸的位置传感器中，利用在光闸片和光接收器之间大约0.8mm到1.2mm的空旷距离可以获得很好的结果。
图4示出了选择狭缝孔的宽度b时的相关因数。该图表示出了从光源12通过光闸片10的狭缝11到达光接收器13的光线的几何形状。如这里可以看到的那样，边缘光线R1和R2界定出中央全照明区域V，该区域V在上侧和下侧具有两个部分照明的区域T。借助边缘光线R3与光敏表面区域21、22的相交点，在它们的外侧边沿处限定出后者，并且它们的照明从全照明区域V向着外侧边沿连续地减小。在上部和下部局部照明区域T的外侧的光敏表面区域21、22的邻近区域完全位于光闸片的阴影内。
利用光闸片的偏移，具有全照明区域V和局部照明区域T的整个照明图像24上下移动相应量。图3的图表的数学模型基于这样的设想，即，对于在偏移范围-a≤z≤+a内的任何偏移量z，投影到光敏表面区域21、22上的照明图像24完全保持在整个光敏区域21、22内。如果传感器装置的所有其它尺寸和距离间隔和最大偏移量a被指明了，那么下面这些是可能的，基于光线几何形状的分析以这样的方式确定狭缝孔最大宽度，即，例如在最大偏移量+a处，相应移动的照明图像24’仍然刚好落入感光灵敏度的总区域的高度h内。但是，比利用该确定所获得的宽度更窄的狭缝孔不总是理想的，因为这会仅减小了落在光接收器13上的光量。在上述尺寸的位置传感器中，这种考虑导致实际狭缝孔的宽度b为0.6到1mm。
尽管借助具体实施例的例子来描述了本发明，但是显然应该考虑到，根据本发明的教导可以进行许多其他变形，例如，用不同类型的光源和光接收器取代所示出的、市场上可以得到的产品，或者改变作为例子来给出的尺寸。还可以想象到的是，使用由具有光敏表面区域的单个光敏构件构成的光接收器，例如该接收器呈所谓的光学位置传感器(产品分类：光敏探测器、光敏设备、PSD)的形式。
附图标记列表
1  秤、称量单元
2  基底部分
3  负载接收器
4  负载、称量负载
5  永磁体系统
6  气隙
7  补偿电流、线圈电流
8  线圈
9  平衡梁
10 光闸片
11 狭缝孔
12 光源
13 光接收器
15 反馈控制器
16 光闸平面
17 发光二极管
18 载体台
19 凹进部
20 双箭头
21、22  13的光敏表面区域
23     21和22之间的分开带
24、24’ 照明图像
x、y、z 轴向
V、V’   全照明区域
T、T’   部分照明区域
u  子区段
R1、R2、R3、R4 边缘光线
几何和物理量列表
d  空间间隔
dB 光闸平面离13的距离
D  光源直径
b  11的宽度
t  23的宽度
h  21、22和23的总结合高度
I1、I2  借助入射光在21和22中所产生的电流
S、S(z) 位置传感器的信号函数
S*、S*(z)  位置传感器的标准信号函数
E、dS/dz  位置传感器的灵敏度
E*、dS*/dz 位置传感器的标准灵敏度
N         标准常数

Claims (15)

1.一种基于电磁力补偿原理的称量单元(1)，包括：固定基底部分(2)；负载接收器(3)，它被约束到基底部分(2)上具有有导向的运动性并且用来接受称量负载(4)的重力；永磁体系统(5)，它具有气隙(6)；线圈(8)，它可移动地悬在气隙(6)中，及在以称量模式工作时引导补偿电流(7)的流动；及力传递机械连接件(9)，它位于负载接收器(3)和线圈(8)之间；
还包括光电位置传感器，该位置传感器包括：光源(12)、光接收器(13)和光闸片(10)，该光闸片被牢固地连接到可移动的力传递连接件上，其中，该光源(12)和光接收器(13)的中点限定出光轴线(y)，光源(12)和光接收器(13)被布置成横跨空间间隔(d)彼此面对，及光闸片(10)在光源(12)和光接收器(13)之间被可移动地布置在光轴线上的光闸距离(dB)处，其中，光接收器(13)用来产生相应于光闸片(10)从零位置的偏移(z)的位置传感器信号(S)，该偏移通过把负载(4)放置在负载接收器(3)上来产生，及其中，具有控制器(15)，该控制器进行工作，从而响应于位置传感器信号(S)以这样的方式来调整补偿电流(7)，即，光闸片(10)和连接到光闸片(10)上的称量单元的可移动部分借助线圈(8)和永磁体系统(5)之间的电磁力被返回到零位置；
其特征在于，光闸距离(dB)位于空间间隔(d)的子区段(u)中，所述子区段(u)邻接于光接收器(13)并且在不超过该空间间隔(d)的1/3上延伸。
2.根据权利要求1所述的称量单元(1)，其特征在于，子区段(u)由于下面的事实而不同于空间间隔(d)的剩余部分：该位置传感器的标准化灵敏度(E*)相应于位置传感器信号(S)关于偏移量(z)的导数以及与标准化常数的比例，该标准化灵敏度基本上采用它的最大值。
3.根据权利要求2所述的称量单元(1)，其特征在于，在子区段(u)内，相应于与标准化常数(N)成比例的位置传感器信号(S)的标准化传感器信号函数(S*(z))至少在偏移量(z)的有限范围内基本上是线性的，其中所述有限的范围随着减小的光闸距离(dB)而增大。
4.根据权利要求3所述的称量单元(1)，其特征在于，在子区段(u)内和在偏移量(z)的所述有限范围内，标准化灵敏度(E*)在光闸距离(dB)有变化时保持基本不变。
5.根据权利要求3或4所述的称量单元(1)，其特征在于，借助停止部使光闸片(10)的偏移量(z)局限于全偏移幅度(a)的偏移范围(-a≤z≤+a)。
6.根据权利要求1-5任一所述的称量单元，其特征在于，光源(12)包括发光二极管(17)，该二极管结合在载体台(18)内。
7.根据权利要求1-6任一所述的称量单元，其特征在于，光接收器(13)包括至少一个光敏表面区域(21、22)，该光敏表面区域沿着z方向具有规定高度(h)。
8.根据权利要求1-7任一所述的称量单元，其特征在于，光闸片(10)包括通道开口，尤其是沿着z方向具有狭缝宽度(b)的狭缝孔(11)。
9.根据权利要求1-7任一所述的称量单元，其特征在于，光闸片(10)包括通道开口，尤其是沿着z方向具有宽度(b)的圆形或者伸长形孔洞。
10.根据权利要求8或9所述的称量单元(1)，其特征在于，通过狭缝孔(11)或者通过圆形或者伸长形孔洞辐射的光把照明图像(24)投影到光接收器(13)的光敏表面区域(21、22)上，其特征在于，在考虑空间间隔(d)、光闸距离(dB)、光源直径(D)、高度(h)和/或整个偏移幅度(a)的大小之后，狭缝孔的宽度(b)被如此定尺寸，即，即使在整个偏移幅度(a)，由偏移所导致的移位的照明图像(24’)仍然落入光敏表面区域(21、22)的高度(h)内。
11.根据权利要求1-10任一所述的称量单元，其特征在于，光接收器(13)包括微分光电二极管，该微分光电二极管具有在微分电路布置中工作的、两个分开的光敏表面区域(21、22)，所述表面区域(21、22)具有相等的矩形形状和尺寸，并且在分开带的相反侧部上相互分开一距离(t)，该分开带沿着x方向延伸并且沿着z方向比较窄。
12.根据权利要求8-11任一所述的称量单元，其特征在于，根据通过狭缝孔(11)或者圆形或狭槽形孔洞从光源(12)所接收的光的分布，第一光敏表面区域(21)产生了第一电流(I1)，及第二光敏表面区域(22)产生了第二电流(I2)，其中这两个电流之间的差值(I1-I2)表示相应于光闸片(10)的偏移量(z)的传感器信号(S)。
13.根据权利要求12所述的称量单元，其特征在于，借助反馈控制器以这样的方式来调整光源(12)的供电，即，相应于从光源(12)通过狭缝孔(11)落在第一光敏区域(21)和第二光敏区域(22)上的光的总量的该电流的和(I1+I2)保持不变。
14.根据权利要求13所述的称量单元，其特征在于，被保持不变的该电流的和(I1+I2)被用来用作该标准化常数(N)，以把位置传感器信号(S)转换成标准化位置传感器信号(S*)，并且把灵敏度(E)转换成标准化灵敏度(E*)。
15.根据权利要求1-14任一所述的称量单元，其特征在于，永磁体系统(5)被牢固地安装在基底部分(2)上，和/或光电位置传感器被牢固地安装在基底部分(2)上。
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