CN1111723C - 带有模块校准元件的负载传感器 - Google Patents

Abstract

包括永久连到力接收器的EEPROM以及温度检测器和多个应变计的数字负载传感器。应变计以惠斯登电桥构型装在力接收器上。EEPROM与电桥连到与可永久装在与EEPROM实体分离的本机电路板上的包括处理器、A/D转换器等电路可拆可连接成电气连通的软电路。本机电路板如此工作以使EEPROM可为存储标定/校正系数而编程， 这些系数经由处理器加到来自A/D转换器的数字重量信号上。本机电路板可与力接收器相连，也能可拆卸地附着到力接收器上。

Description

数字式负载传感器设备、采用该数字式 负载传感器的称重设备及其制造方法

本发明涉及负载传感器。

一个负载传感器包括一个反力(counterforce)和诸如应变计之类的至少一个力传感器。反力(也可用诸如力接收器等其他已知术语)是为支承一负载并随其变位(deflect)而成形和配置。所述力传感器安装在力接收器上并用于产生正比于由力接收器支承的负载的模拟电信号。一般来说，力传感器包括一个或多个应变计，应变计固定在力接收器表面，以致当该力接收器受到负载所施加的应力和应变时，应变计产生一个与负载成比例的模拟电信号。在典型的负载传感器中，四个应变计被附着在力接收器表面并以惠斯登电桥形式加以电气连接。该惠斯登电桥的模拟电输出信号便是该负载传感器的输出信号。

正如在英国专利说明书UK-1462808中所揭示的，一个负载传感器的模拟输出通常耦合到用于将其变换成数字信号并处理该数字信号的电路装置。该电路装置还能包括用于贮存校正数据的存储器，该校正数据与每个负载传感器相联系并可用于相对诸如零和量程误差，非线性，迟滞性，温度和蠕变之类因素校正数字信号。

正如在本申请受让人所拥有并在此引入供参考的美国专利US-4,815,547中所描述的，在其所提供的一个数字负载传感器中，一个本机印刷电路板被附装到力接收器并封入一个模-数转换器，微处理器和用于贮存该负载传感器标定特性和校正特性的存储器。正如该专利所述，待存入本机电路板上的存储器内的标定与校正数据(为相对例如由蠕变之类因素引起误差校正数字信号)是通过让负载传感器承受温度，负载等诸如此类的已知条件再确定要用于由处理器所采用校正算法中的常数和系数而获得的。如该专利所公开内容而生产的数字式负载传感器是一种自含式模块装置，即，在失效情况下，可以最少工作量，用同样装置更换之。然而，缺点在于在失效情况下可能损失该负载传感器和/或整个电路板，造成浪费。

本发明的一个主要目的是提供克服了上述缺点的负载传感器。

本发明的另一重要目的是提供一种就组成该传感器的标定元件为模块的负载传感器。

本发明又一重要目的是提供这样一种负载传感器，即其中需要标定或校正数据的元部件被永久地附装到那些贮存标定或校正数据并形成模块部件的元件上。

本发明的其他目的与优点将部分陈述于以下说明中，部分则是从该说明中可显而易见，或可通过实施本发明而了解到。本发明的这些目的和优点可借助在所附权利要求书中具体指出的手段和组合方式加以实现和获得。

为达到这些目的和按照本发明用途，正如本文体现和概述的，在本发明负载传感器中，用数字表示存储的标定和/或校正数据的元件以及与数据有关的元件均彼此永久附着成一个模块部件。

根据本发明，诸如电可擦可编程只读存储器芯片(EEPROM)等存储器芯片被永久附装到具有诸如多个应变计的传感器的力接收器上。EEPROM被电气连接到处理器，该处理器可永久地安装在一个包括模-数(A/D)转换器和其他负载传感器电路的本机电路板上。EEPROM物理上与本机电路板隔开并贮存待经由处理器加到来自A/D转换器的数字信号上的标定/校正系数。所述力传感器与安装在本机电路板上的模-数转换器电气连通。本机电路板可拆卸地附装到力接收器或可与力接收器本机配置或遥控配置。一个软性电路薄片提供从力传感器和EEPROM到包含模数转换器和其他负载传感器电路的电气连接。

包含在本文和构成本说明书一部分的附图示出本发明的一个实施例并与说明书一起用于说明本发明的原理。

图1是按照本发明的数字式负载传感器的最佳实施例的透视图并以虚线示出某些附属特性；

图2是一部分图1负载传感器的部分正视图；

图3是图2所示诸元件的电气原理图；

图4是图1实施例所选元部件的电气原理图；以及

图5是包括按本发明数字式负载传感器的一个实施例的称重设备的示意图。

现将参考附图中所示的一个或多个实例，详述本发明的当前最佳实施例。每个实例均以解释本发明的方式提出而并不是对本发明的限制。事实上，对本领域技术人员来说，可能对本发明作出不脱离本发明范围或实质的各种显而易见的改型和变动。例如，作为某个实施例组成部分所图示或描述的特点可用在另一实施例上又产生另外一个实施例。因此，我们希望本发明覆盖包括在所附权利要求书范围内这类改型和变动及其等同物。贯穿诸附图与说明书的相同元部件被标以相同数字。

本发明一个负载传感器最佳实施例示于图1并总体地由数字20表示。图1所示实施例是一种力矩低灵敏度[a.k.a.单力矩(singlemoment)]构型，即检测为同一负载，而与该负载施加的相对于应变计位置的位置无关。

本发明负载传感器设备包括一个用于支承要由负载传感器测量的负载的力接收器。该力接收器被如此构造，以满足使用该负载传感器时的安装和尺寸规格。该力接收器的材料组成和结构还由预期要作用到力接收器的负载量来确定。如图1所示，力接收器22是由诸如铝或不锈钢之类的金属构成并呈现矩形块状。横穿该矩形块钻有多个孔以形成由上梁26和下梁28接合的开口24(以虚线示出)。

在本发明负载传感器设备中，设有一传感器装置，用以产生代表施加到力接收器的力负载的模拟电信号。该传感器装置安装在力接收器的表面上。正如本文体现和图1和2所示的，传感器装置由标号30指示，并安装在力接收器22的表面上。如图2更详细示出的，传感器装置的一个实施例被设置成四个独立应变计32，33，34，35即以图3简图中标以标号36的惠斯登电桥结构中加以电气连接的四个电阻元件。

正如图2所示，力传感器装置设置成康铜(constantin)箔薄片形，该薄片已经受光刻以产生经导电层25，27，29，31，37，38，39，40电气连接的四个应变片而形成惠斯登电桥36。这些导电层终止于五个接线端41，42，43，44，45。正如本领域已知的，康铜有较高电阻率使得一个极薄的箔片的阻值可相当高，同时该箔片是如此之薄致使其能弯曲。当其弯曲时，它伸展或压缩从而可以高度预知的方式改变其电阻，使其能充当一个力传感器，产生正比于其上安装了康铜应变片元件32，33，34，35的力接受器支承的力负载的模拟电信号。此外，康铜的电阻几乎不随温度而变化。

正如图2所示，力传感器装置被永久地附装到力接收器的表面。最好，形成应变计的光刻箔薄片采用经加热加压热固成形的环氧树脂，永久性地附装到铝块表面。然而，也可采用将应变计永久性地安装到力接收器表面的别的方法。如图2所示，应变计32，35和33，34之每一对对称地置于虚线X-Y周围，分别与置于应变计对下面的开口的上园筒部分46，48的纵向中心线对齐。

在本发明的负载传感器中，一个温度检测器安装在力接收器上，以检测力接收器的温度。该温度为处理器(以后描述)所用，以对用于表示加到力接收器上负载的数字电信号确定校正系数和标定系数。例如，如图2所示，一个以镍电阻形式的温度检测器50采用经加热和加压热固的环氧树脂被永久地附装到力接收器22的表面。然而，也可用别的方法将温度检测器永久地安装到力接收器的表面。为充分获取制造效率方面的优点，最好，以与力传感器装置的同样操作方式粘接该温度检测器。

在本发明负载传感器设备中，设有一个用于储存为补偿是负载传感器特征的物理响应因数(physical response factors)的数据的存储装置。该数据用于校正由于诸如非线性、迟滞性、蠕变和温度变化等因素造成的误差。正如本文所体现和图1-3所示的，该补偿数据存储装置最好包括诸如数字存储芯片52之类的数字数据存储器。该补偿数据存储装置的一个实施例是诸如表面安装的1024位系列EEPROM93C46之类的EEPROM形式设置的，该EEPROM93C46可从当地半导体供应商和其他供应商获得。该EEPROM也可用于贮存诸如负载传感器序号、制造日期、传感器的起始零位特性等等的其他类型信息。

根据本发明，该补偿数据存储装置是与用于贮存校正数据或标定数据的负载传感器的元部件结合成一体的。最好，这些元部件的一体化是永久的。如图1-3所示，须要将校正数据施加到从力传感器装置导出的数字信号上的负载传感器元部件：应变计32，33，34，35和力接收器22被永久地彼此连接。构成补偿数据存储装置的存储器芯片52附装在力接收器22上以使这三个部件、应变计、力接收器和存储器芯片构成负载传感器的一个模块部件。还包括温度检测器50，以确定存入存储器芯片的标定数据和校正因数，该温度检测器也永久地附装在力接收器22上。这样在本实施例中，可将应变计、力接收器、温度检测器和存储器芯片认作负载传感器的标定部件。

如本文体现和图2所示，存储器芯片52被电气地连接到设在由数字54概略标出的软性电路上的接线端。软性电路54如力传感器装置一样被贴在力接收器22的同一表面。为充分获取制造效率，最好将软性电路以与力传感器装置和温度检测器相同的操作和相同方式加以粘贴。

该软性电路以传统方式构成，具有一敷层焊件(backing member)其上淀积有导电条并形成用于电气连接到待互连的元部件的接线端。例如，该软性电路能用其上以传统的光刻法沉积铜轨迹的的聚酰胺载体材料形成。然后以另一聚酰胺片密封该载体和铜轨迹。在那些要施加数字存储器芯片和要曝露接线端的区域，将一钎料掩模敷设在被暴露的轨迹上，以便在软性电路连到力接收器的加热处理期间，保护这些区域内的铜轨迹。

在为将软性电路54，温度检测器50和力传感器装置30敷设到力接收器而采用的热处理之后，最好要清洁它们所暴露的接线端表面，以去除加热处理期间产生的氧化层。这可以传统方式完成而且并不构成本发明的组成部分。

正如图2所示，温度检测器50设置在软性电路54的附近并在图3中用箭头和“T”表示其与温度相关的电阻简要示出其电结构。图3中贯穿每个应变计32，33，34，35的箭头和“L”意在指示其负载有关的电阻。如图1-3所示，惠斯登电桥36置于软性电路54附近以及被电气连接到软性电路。如图2所示，电引线56，57，58，59，60连接在软性电路54和力传感装置30的接线端之间。电引线61和62连接在软性电路和温度检测器上的接线端之间。最好，这些引线由铝线构成并用传统可用机械设备作超声连接，免除了将应变计和温度检测器的引线连接到本机电路板(下面描述)的强体力劳动，因为这些功能可以传统方式由连接引线的机械设备来完成。然而，导线也可由诸如用导电胶之类的其他装置或由手工或机器焊接来连接。

如图2和3所示，EEPROM被电气连接到五根引线64，65，66，67，68，而滤波电容器70设置在接地引线65与供EEPROM的电源引线64之间。连到EEPROM的还有一根使能引线68，通过引线68，EEPROM可为贮存或检索信息而被存取，一根时钟引线67，EEPROM可通过该引线接收电信号，使EEPROM能接收和贮存数字信息，一根数据引线66，EEPROM借助该引线可将数据传送到(/从)诸如处理器之类的另一数字式装置(传送数据)。

这里在本发明负载传感器的制造和装配过程中，最好让力接收器，温度检测器和应变计经受各种负载和操作条件。如图1简要示出的，测试设备72(虚线)被连接到软性电路54的带状部分74(虚线)中的引线，并在力接收器和安装其上的应变计经历的种种条件下获得数字式负载显示。这些负载显示用于确定具体力接收器和该负载传感器的模块部件的应变计的校正系数。在这里确定的这些校正系数和标定数据被存入数字数据存储装置52，供操作负载传感器时用。制造过程中的这一标定步骤发生在力传感器装置，温度检测器和带有存储器芯片的软性电路已永久性地连到力接收器上之后。然而，该标定步骤可在带有或不带形成连到软性电路的数字本机电路装置的印刷电路板76(下面描述)两种情况下进行。在没有本机板76时，标定设备可包括为从承受标定的力接收器读出信号的相应电路。没有本机印刷电路板使标定程序能在较少空间中执行或者说在给定间内同一时间能标定更多数量的力接收器元件。没有本机数字印刷电路板就无须处理该板也就避免了处理过程中对它的可能损害。

将力接收器与应变计，用于贮存构成力接收器和应变计唯一标记的校正系数和/或标定数据的数字存储器芯片永久结合成一体的原理可应用于包括有与图1所示力接收器22不同结构的力接收器的负载传感器的其他构型的负载传感器。该原理还可应用于与图1和2四应变计构型不同的其他构型的力传感器装置。

在本发明负载传感器中，设有能电气地响应外部控制的本机电路装置。该本机电路装置最好包括用于接收代表加到力接收器的负载的模拟电信号并将其转换成代表加到力接收器负载的数字电信号。该本机电路装置与经由软性电路54安装在力接收器上的补偿数据存储装置，远距安装并与其形成可拆卸的电通信连接。本机电路装置的一个实施例简要地示于图4中。如图1所示，该本机电路装置可以与力接收器22相联的刚性电路板76的形式设置。或者，如图1所示，该本机电路装置可设置在刚性电路板76上，而电路板76借助多个螺钉固定件(虚线)77，78可拆卸地固定在力接收器上。

正如图2和3所示，惠斯登电桥36，温度检测器50，软性电路54和存储器芯片52在图3和4所示界面A-A处被电气连接到图1和4中所示本机电路装置。软性电路54的十个导电通路的接线端各设有自已的在图3与图4中相同的标记B至K。

正如图1所示，本机电路装置可通过软性电路54的柔性带引线部分74(实线)和安装在印刷电路板76上形成本机电路装置的连接器80可拆卸地连到软性电路。该本机电路装置包括一个两通道模-数转换器82，该模-数转换器与应变计32，33，34，35构成的惠斯登电桥36的输出和与温度检测器50形成电气连通。该本机电路装置也能包括诸如Inte18051处理器之类的电子处理器84。如图1所示，处理器84可永久性地安装在本机电路板76上。或者，如图4和5中简要示出的，处理器可从遥控电路板86与本机电路板形成电通信连接。如图5所简要示出的，遥控电路86可为控制本机电路装置以及计算和显示对来自特定应用如杂货商店(grocery stere)秤，邮资(postage)秤，或应用本发明的一个或多个负载传感器的其他装置中的一个或多个负载传感器200的信号处理后的信息而构造。

现参照图3和4，图1和2的数字负载传感器20的电路包括连成电桥电路36的应变计32，33，34和35。电桥电路36经接线端B和D向前置放大器92提供模拟重量信号。来自前置放大器92的重量信号通过一模拟滤波器94耦合到模拟开关96的一个输入端。开关96的输出连接到双通道模-数(A/D)转换器82的输入端。如图3所示镍电阻50与电桥电路36串联连接。如图3和4简要所示，镍电阻50经接线端E和J通过前置放大器101给模拟开关96的另一输入端提供信号。存储器芯片52经接线端K由一恒定电压(Vcc)电源供电。电源103给电桥电路36供电；还通过模拟开关96给两通道A/D转换器82提供一已知基准电压。A/D转换器82的输出端连接到处理器84。处理器84控制模拟开关96的操作，以使来自电桥电路36的模拟重量信号和来自镍电阻50的温度指示信号经A/D转换器82转换为数字信号并送到处理器84。然而，负载传感器20的本机电路装置的其他结构也可用于本发明，只要该本机电路装置如此构成，致使数字标定数据存储装置仅仅是可拆卸地连接成与本机电路装置通信。

本发明设备由于对包含其内存贮校正系数的存储器芯片52的集成模块部件中提供了需要校正系数的元件而享有胜过类似其他数字负载传感器的若干截然不同的优点。该本机印刷电路板76可用于由相对不熟练的技术人员操作的现场。一旦出故障，可将板76从力接收器22和应变计32，33，34，35拆下并更换之而不必重新标定力接收器和应变计和获取所有的标定数据待再存入为此目的设置在负载传感器中的存储器芯片52中。类似地，若要更换力接收器或应变计，可将安装在力接收器22上的软性电路54从本机印刷电路板76拆下并用被集成在一模块中的新的力接收器22替换该力接收器，该模块包括贮存用于新的力接收器和安装在新的力接收器上的应变计的标定数据的数字存储器芯片52。这使得力接收器和应变计可在现场更换。这种工序的每一道都避免了不得不将称重装置和/或组成该称重装置的负载传感器从用户所在地运回到可能位于另一洲的工厂的麻烦。这为用户缩短了检修周转时间并节约了运输费用。由于力接收器的重量远小于称重装置的重量——它仅是其中的一个组成部分，故这一优点特别实际。这种模块件的维护保养方便性减少了必须报废的电路板数目，因而避免了回收或废物处置方面的种种问题。

图5简要示出一个运用按本发明的至少一个负载传感器200的称重设备198。负载传感器200包括一个力接收器，粘贴在力接收器上的温度检测器，粘贴在力接收器上的传感器装置，粘贴在力接收器上的软电路，安装在软性电路上的补偿数据存储装置，和与力接收器相关联的本机电路装置。该补偿数据存储装置是与负载传感器的用于贮存校正数据或标定数据的那些部件集成为一整体。补偿数据存储装置贮存用于力接收器和传感器装置的校正/标定数据。该本机电路装置包括产生表示加到力接收器上的负载的数字显示装置，在需要时，还可包括响应外部访问以发送这些数字显示的装置。补偿数据存储装置实际上不与本机电路装置永久性地集成一整体，而是与本机电路装置处于可拆可连的电气通信状态。

如图5概略示出的，称重设备还包括一个以由负载传感器200支承的刚性平台202形式的负载接收装置。该称重设备也能包括一个用于处理来自多个负载传感器200的数字显示以产生支承在负载接收装置上的总重量之数字显示装置。如图5所示，该处理装置能以遥控电路板86的形式设置，可包括一微处理器并通过导线204电气连接以控制提供平台上总重量的数字显示的数字显示器206。

Claims (14)

1.一种数字式负载传感器设备，包括：

一个为接收加到所述负载传感器的负载而设置构造的力接收器；

一个传感器装置，用于产生加到所述力接收器的负载的模拟表示，所述传感器装置安装在所述力接收器上；

本机电路装置，可拆卸地固定在所述力接收器上，包括用于接收模拟表示并将其转换成加到数字式负载传感器的负载的数字表示的装置和用于接收数字校正系数并将其加到所述数字表示的装置，

用于贮存为补偿所述力接收器和所述传感器装置中至少一个的特征物理响应因数的数字校正系数的存储装置；该存储装置永久固定在所述力接收器上并与所述本机电路装置间隔开；以及

连接器装置，可拆卸地将所述存储装置连接到所述本机电路装置上，以便在其间传送数字信号。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述存储装置被粘贴在所述力接收器上。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述连接器装置包括一个软性电路。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述软性电路连接到所述力接收器并永久性地与所述存储装置连接成电通信状态。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述存储装置包括EEPROM。

6.如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述软性电路连接到所述力接收器，所述存储装置包括一EEPROM，所述EEPROM电气安装到所述软性电路，所述传感器装置连接成位于所述软性电路附近的惠斯登电桥，并电连接到所述软性电路。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：还包括一个粘贴在所述力接收器上和电连接到所述软性电路的温度检测器。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述软性电路构造成可拆卸地与本机电路装置连接成电通信。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于：

所述连接器装置包括连接到所述力接收器的一个软性电路；

其中所述传感器装置包括四个电阻性应变计，它们以形成惠斯登电桥的构型电连接到所述软性电路，和

其中所述存储装置包括EEPROM，所述EEPROM形成所述软性电路的一个部件。

10.如权利要求9所述的设备，还包括电连接到所述软性电路的温度检测器。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述传感器装置是可拆卸地连接成与所述本机电路装置进行电通信。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述本机电路装置是受外部控制的。

13.一种称重设备，包括：

至少一个负载传感器，该负载传感器包括一个力接收器、安装在所述力接收器上的传感器装置、可拆卸地固定在所述力接收器上的本机电路装置，该本机电路装置包括用以产生加到所述力接收器之负载的数字表示的装置、用以对所述数字表示至少施加一个校正系数的装置和用以发送所述校正后数字表示的装置，所述至少一个负载传感器还包括用于贮存为补偿所述力接收器和所述传感器装置至少之一的物理响应特性的数字校正系数的装置，所述存储装置永久固定在所述力接收器上并与所述本机电路装置间隔开，和用于将所述存储装置可拆卸地连接到所述本机电路装置的装置；

至少部分由所述至少一个负载传感器支承的负载接收装置；和

用于使用来自每个所述负载传感器的所述校正后数字表示去产生所述负载接收装置上的总重量的数字表示的装置。

14.一种制造模块式数字负载传感器的方法，该负载传感器包括一个力接收器和与该力接收器电气上关联的用于产生加到力接收器的负载的校正数字表示的数字本机电路装置，该方法包括以下步骤：

可拆卸地将所述本机电路装置固定到所述力接收器上；

将一个力传感器装置永久性地固定在所述力接收器上，用于给数字本机电路装置提供模拟负载表示；

将一个数字数据存储装置永久性地连接到所述力接收器上并使之与所述本机电路装置间隔开；

将可从所述传感器装置和所述存储装置上拆下的一电路装置电连接到所述本机电路装置上；

使所述力接收器经受各种负载和操作条件并在所述条件下获得数字负载表示；

利用所述负载表示去确定所述负载传感器的数字校正系数；和

将所述校正系数存入所述数字数据存储装置，以供所述负载传感器的工作之用。

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