CN1782678B

CN1782678B - 电子天平

Info

Publication number: CN1782678B
Application number: CN200510118128.9A
Authority: CN
Inventors: 佐藤毅; 田村公利; 岛内邦夫
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: CN1782678A; JP2006162302A; US7282655B2; US20060118343A1

Abstract

本发明公开了一种电子天平。该电磁力平衡类型的电子天平包括电磁力发生器、PID控制器和三轴方向位置检测器，电磁力发生器用于施加电磁力以控制平衡梁在纵向方向(X轴)和与其相垂直的水平方向(Y轴)上移动，PID控制器用于通过PID控制对电磁力发生器进行控制，三轴方向位置检测器用于检测平衡梁在X、Y轴方向和重力方向的三个方向上的位移。

Description

电子天平

技术领域

本发明涉及一种电磁力平衡类型的电子天平，其用于通过设置一支点而使载荷和施加到平衡梁的电磁力平衡来测量载荷。更具体地，本发明涉及一种离支点距离短的电子天平或一种具有高精度的电子天平。

背景技术

一般地，电磁力平衡类型的电子天平构造成，使由电磁力发生器产生的电磁力施加到与测量盘接合的平衡梁，平衡梁与施加到测量盘的载荷保持平衡。平衡梁的位移由位置(位移)传感器检测，供给到电磁力发生器线圈的电流量由伺服机构控制，以便得到自平衡梁零位基点位置的位移的检测结果。由平衡所需的电流量来计算施加到测量盘的载荷的大小，即被测量的重量值(下文中，简写成测量值)。

这里，由根据扰动的平衡梁的振动引起的测量值的变化优选地在与平衡梁的平衡点相对应的值的两侧上是对称的。因此，使平衡梁平衡的位置，即使位置传感器检测的位移结果为零的平衡梁的姿态一般设定成水平的。即，平衡梁可枢转地以支点为中心受到支撑，施加在垂直(重力)方向上的待测量载荷的载荷作用点和相似地施加在垂直方向上的电磁力的作用点分别设置在远离支点固有距离的位置处。然而，平衡梁的姿态越偏离水平方向，以支点为中心的力作用在平衡梁上的转矩越小。

当将平衡梁设定成在水平姿态达到平衡状态时，平衡梁以水平姿态为中心振动。因此，在平衡梁振动的状态中，线圈中流动的电流以与平衡点对应的电流量为中心对称地变化，其平均值等于与平衡点对应的电流量。

因此，通过将平衡梁设定成在水平姿态达到平衡状态，使得即使在扰动较大的情况下也能显示精确的测量值。从而，现有技术的电子天平具有使在水平状态中检测位移的结果为零的位置传感器(参见JP-A-10-104045)。

虽然现有技术的电子天平如上所述地构成，但存在一种情况，该情况中由于运输或电子天平的老化变化或外部振动，电子天平的平衡梁在除重力方向之外的方向上移位。当发生这种情况时，电子天平的灵敏度和线性度将从电子天平调节和与其相关的操作时的灵敏度和线性度发生改变，高精度变坏或由于外部振动而不能实现高速和高稳定性的测量。这特别是在离支点距离短的电子天平或高灵敏度的电子天平的情况中引起问题，由此带来的影响是相当大的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子天平，该电子天平中，平衡梁的位置不会由于运输或其老化变化而在除重力方向之外的方向上移位。

为了实现上述目的，本发明的电子天平是一种电子天平，其通过设置一支点而将电磁力和被测量物体的载荷施加到一平衡梁，所述电磁力通过使电流流到置于永久磁体的磁场中的线圈而产生，并根据用于产生与所述载荷相平衡的电磁力的所述线圈中流过的电流来计算所述载荷，所述电子天平包括一位置控制机构，该位置控制机构用于保持所述平衡梁在纵向方向或与所述纵向方向相垂直的水平方向或该两方向上的特定位置恒定。

本发明的电子天平如上所述地构成，因此，可减少由于平衡梁移位或由外部振动导致的平衡梁的振动所引起的灵敏度的变化或线性度的变化。

在本发明的电子天平中，位置控制机构可包括位移检测器、电磁力发生器和控制部分，位移检测器用于检测平衡梁在纵向方向和水平方向上的位移，电磁力发生器用于产生在纵向方向和水平方向上控制平衡梁的电磁力，控制部分用于根据由位移检测器得到的位移来控制电磁力发生器。

位移检测器可包括可移动元件和检测器，可移动元件固定到平衡梁并随着平衡梁的移动一起移动，检测器用于检测可移动元件的位置。

例如，可移动元件是磁性元件，检测器包括用于检测磁场变化的磁性传感器，所述磁场变化与所述磁性元件在所述纵向方向和水平方向的位置相应。

此外，位移检测器可包括光电类型的位置传感器，每个位置传感器检测纵向方向或水平方向。

根据本发明的电子天平具有用于保持平衡梁在纵向方向或与其相垂直的水平方向上的位置恒定的位置控制机构。因而，可防止因平衡梁在纵向方向或与其相垂直的水平方向上移位所引起的平衡梁的灵敏度的变化或线性度的变化。此外，可强制减小由外部振动引起的电子天平的平衡梁的振动，从而，可实现高速和高稳定性的电子天平。

附图说明

图1A示出局部剖视的构造图，示出根据实施例的电子天平的构造。

图1B示出沿图1A的电子天平的线A-A剖开的剖视图。

图2是框图，示出根据实施例的平衡梁的控制部分3及其周围的相关部分。

图3是根据实施例的光电类型的位置传感器30的操作的说明性视图。

具体实施方式

下面将通过实施例对本发明的电子天平进行详细说明。图1A示出局部剖视的构造图，示出根据本发明的电子天平的构造。图1B示出沿图1A的电子天平的线A-A剖开的剖视图。图2是框图，示出根据实施例的用于控制载荷平衡机构2(图1A)的控制部分3和用于显示其测量值的显示部分4。

如图1和图2所示，电子天平包括载荷传送机构1、载荷平衡机构2、控制部分3和显示部分4。载荷传送机构1将安放在测量盘11上的被测量物体12的盘上载荷(load-on-pan)W作为垂直载荷传送到载荷平衡机构2。载荷平衡机构2使电磁力F(下面提及)与经由载荷传送机构1传送的盘上载荷W相平衡。控制部分3控制载荷平衡机构2。显示部分4显示被测量物体12的测量值，该测量值通过输入用于产生电磁力F的线圈电流I并对该线圈电流I进行操作处理而获得。

如图1A所示，载荷传送机构1形成罗伯欧(Roberval)机构。更具体地，使两个梁14、15上下平行，每个梁都以恒定间隔形成有薄壁的部分13，梁14、15各自的一个端侧连接到可移动柱16的上和下位置，梁14、15各自的另一个端侧是固定的。从而，当盘上载荷W施加到可移动柱16上时，可移动柱16在垂直方向移动，盘上载荷W在垂直方向从上面传送下来。

此外，载荷平衡机构2包括平衡梁23、第一电磁力发生器24、第二电磁力发生器25、第三电磁力发生器26和三轴方向位置检测器27。平衡梁23具有用于由弹簧元件21a、21b支承平衡梁23的支点21，如图1A、1B所示，并且其一个端侧通过连接元件22连接到可移动柱16。第一电磁力发生器24产生重力方向(Z轴方向)的电磁力F，以与经由可移动柱16施加到平衡梁23的盘上载荷W相平衡。第二电磁力发生器25产生用于控制平衡梁23在纵向方向(X轴方向)的位置的电磁力。第三电磁力发生器26产生用于控制与平衡梁23的纵向方向相垂直的水平方向(Y轴方向)的位置的电磁力。三轴方向位置检测器27检测平衡梁23在三个轴方向上的位移。

第一电磁力发生器24包括结合有永久磁体24a和磁轭24b的磁场产生装置24c以及布置在磁场中的作用力线圈(force coil)24d。磁场产生装置24c固定到电子天平的机壳(未示出)。作用力线圈24d悬挂在平衡梁23上。此外，第二和第三电磁力发生器25、26小于第一电磁力发生器24并具有与第一电磁力发生器24相同的功能。作用力线圈25d、26d分别固定地连接到平衡梁23的前端侧和侧面侧，磁场产生装置25c、26c固定到机壳。

平衡梁23的位置总是由位置控制机构控制，从而使其构成相对于重力方向(z轴方向)的水平位置和相对于X、Y轴方向的初始调节位置，该位置控制机构包括图2的框图中所示的三轴方向位置检测器27、控制部分3和第一、第二和第三电磁力发生器24、25、26。三轴方向位置检测器27包括可移动元件28和检测器29，可移动元件28固定到平衡梁23且随着平衡梁23的移动一起移动，检测器29固定到机壳，以检测可移动元件28的位置。例如，对于可移动元件28，使用磁性元件。对于检测器29，使用三个能将磁场的变化检测为位置信号的磁性传感器29a、29b、29c，所述磁场变化与磁性元件28在X、Y、Z轴方向上的位置相应。

如图1、图2所示，通过平衡盘上载荷W和电磁力F的转矩而产生的平衡梁23在重力方向的位移由检测器29的磁性传感器29a来检测。将磁性传感器29a检测到的信号与PID控制器(比例积分微分控制器)31中的设定值(未示出)进行比较，将其偏差信号转换成PID操作所附加的线圈电流I。将线圈电流I供给到第一电磁力发生器24的作用力线圈24d和与其串联连接的电阻32，并控制线圈电流I以使平衡梁23位于使盘上载荷W和电磁力F的转矩相平衡的状态下的水平位置。

当用符号L₁、L₂分别表示从平衡梁23的支点21到盘上载荷W和电磁力F的作用点的距离、用符号L表示作用力线圈24d的长度、用符号B表示磁力密度以及用符号K表示比例常数时，盘上载荷W与线圈电流I成比例，如下面示出的公式(1)所示。

W＝KBL(L₂/L₁)I (1)

如图2所示，显示部分4包括电阻32、模数转换器33、数字滤波器34和操作处理部分35。模数转换器33将由电阻32中流过的线圈电流I产生的电压转换成数字值。数字滤波器34使转换后的数字值的变化平滑。操作处理部分35工作以处理平滑化后的数字值以转换成测量值，并在液晶显示屏或类似装置上显示出该测量值。由公式(1)得到的盘上载荷W被显示。

此外，平衡梁23在X轴方向的位置由磁性传感器29b进行检测，其检测信号与PID控制器36中的设定值进行比较，并借助PID操作转换成与其偏差信号成比例的线圈电流I1。该线圈电流I1供给到第二电磁力发生器25的作用力线圈25d，并控制该线圈电流I1以使平衡梁23不在X轴方向移位。

此外，平衡梁23在Y轴方向的位置由磁性传感器29c进行检测，其检测信号与PID控制器37中的设定值进行比较，并借助PID操作转换成与其偏差信号成比例的线圈电流I2。线圈电流I2供给到第三电磁力发生器26的作用力线圈26d，并控制该线圈电流I2以使平衡梁23不在Y轴方向移位。

通过上述构造和操作，平衡梁23在X轴、Y轴方向的位移保持恒定，因此，初始调节平衡梁23时的位置状态得以保持，盘上载荷W和电磁力F的转矩得以精确平衡。此外，在X、Y轴方向上的外部振动强制返回到初始调节中的位置状态，因此也抑制了平衡梁23的振动，测量值的变化得以大大减少。

本发明的电子天平如上所述地构成，其特征在于，通过在X轴、Y轴方向中的全部或任一个方向上将来自第二和第三电磁力发生器25、26的电磁力加到平衡梁23，使相对于初始调节中的位移为零来消除老化变化或外部振动的影响，从而精确地平衡盘上载荷W和施加在重力方向上的电磁力F。本发明不局限于该实施例中所示的构造。例如，可以通过改变三轴方向位置检测器27，例如改成用于检测一个方向的位移的光电类型的位置传感器，来单独检测三个轴方向的位置。

例如，在光电类型的位置传感器30中，当狭缝30b在箭头标记方向上改变X时，光源30a入射在光接收元件30c、30d上的光线的通量从由虚线表示的光线30e移动到由粗线表示的光线30f，并且光接收元件30c、30d的输出电信号之间的差与狭缝30b的位移成比例。

本发明用于电磁力平衡类型的电子天平，其用于通过设置一支点而使施加在平衡梁上的载荷与电磁力相平衡来测量载荷，特别是用于离支点距离短的电子天平或高精度的电子天平。

对于本领域技术人员来讲很明显，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可对所述的本发明优选实施例作各种修改和变化。因此，本发明覆盖与所附权利要求及其等价方案的范围一致的本发明的所有修改和变化。

本申请要求基于2004年12月2日提交的日本专利申请No.2004-350452的外国优先权，其内容在此并入作为参考。

Claims

1.一种电子天平，其通过设置一支点而将电磁力和被测量物体的载荷施加到一平衡梁，所述电磁力通过使电流流到置于永久磁体的磁场中的线圈而产生，并根据用于产生与所述载荷相平衡的电磁力的所述线圈中流过的电流来计算所述载荷，所述电子天平包括：

一位置控制机构，该位置控制机构包括配置的以检测所述平衡梁的位移的位移检测器；

配置的以在所述平衡梁的纵向方向和水平方向的至少之一产生电磁力的电磁力发生器，所述水平方向垂直于该纵向方向并与重力方向相交叉；以及

配置的以基于所述位移检测器检测到的位移结果控制所述电磁力发生器的控制器，以使得所述平衡梁的特定位置被保持。

2.根据权利要求1所述的电子天平，其中，所述电磁发生器包括电磁力发生器用于产生在所述纵向方向和水平方向控制所述平衡梁的电磁力。

3.根据权利要求2所述的电子天平，其中，所述位移检测器包括一可移动元件和一检测器，所述可移动元件固定到所述平衡梁并随着所述平衡梁的移动一起移动，所述检测器用于检测所述可移动元件的位置。

4.根据权利要求3所述的电子天平，其中，所述可移动元件是一磁性元件，所述检测器包括用于检测磁场变化的磁性传感器，所述磁场变化与所述磁性元件在所述纵向方向和水平方向的位置相应。

5.根据权利要求2所述的电子天平，其中，所述位移检测器包括光电类型的位置传感器，每个位置传感器检测所述纵向方向或所述水平方向。