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应变仪电子秤


这个项目, 应变仪电子秤 from 1988,显示了如何使用简单的ADC和组件制作应变仪电子秤。

这条电路很有趣,因为它显示了在浴室称重秤上建造那些站立的简单。

该依CICUIT使用4个1/2位数的模数转换器(ICL7129)来处理信号。除非您可以找到兼容的LCD模块(非常困难来源),否则值得将ICL7129更改为其他内容。



应变仪电子秤的执行摘要

提供了一种最小厚度和重量的便携式电子刻度,其适合于测量单个或物体的重量,并且可以容易地携带袋,储存在橱柜中或悬挂在墙壁上。尺度包括复合材料(三明治)结构的单个承载复合板,其原理强度集中在其顶部和底部表面上,并且包括中心芯板,其包括用于电子元件的多个小腔。

多个浅支撑脚从下方施加在刚性地刚合在复合板中的多个机械变形元件上的力,该力被测量并通过诸如应变计中的电子换能器转换成电信号的力。这些信号以惠斯通桥配置概括,以电子方式放大并转换为重量的数字显示。

电子电路适合复合板内,并且在使用中消耗非常少量的电流,从而消除了对厚电池的需要。尺度(不包括浅脚)小于1/4"厚度和重量小于一磅。

应变仪电子秤的背景

1.设计领域

该设计涉及一种最小厚度和重量的便携式电子标度,其可以容易地携带在袋中,存储在机柜中或悬挂在墙壁上,以测量人或物体的重量。

2.现有技术的描述

大多数小尺度,例如用于个人重量测量的尺度,要求将人架或物体放置在平坦和刚性的承载板上,其靠在一组杠杆上,从下面触摸板块的一组离散要点。杠杆在第二个承载板上搁置,又将其放置在平板上。

杠杆以这种方式连接,当将负载放置在顶板上时,杠杆在单个点处施加负载,该载荷等于顶板上的总负载。然后通过将该负载与诊所中的通常发现的尺度相邻,或者通过将该负载施加到机械变形的元件(例如弹簧或梁)和测量变形,并且测量变形。

常见的"portable"浴室秤通常通过旋转拨号来测量弹簧的运动。较新的刻度可通过电子方式测量弹簧或替代机械可变形元件的变形,其中应变仪表或电容器,并以数字方式显示措施,通常具有发光二极管(LED)。

杠杆机构,两个(或更多)承载板和LED的功率要求'S通常对大多数已知的秤施加离散的重量和厚度要求,使它们过于沉重,太大才能容易地从地方运输到另一个地方。例如,对个人重量测量的最小尺度称重几磅,厚度约为1至三英寸。

这使得他们难以被携带,以便个人可以在离家之外观看他或她的体重。它还使得难以抬起鳞片并将其存放在机柜中或将它们悬挂在墙上,当地板空间(如浴室)有限时。

构造规模的不同原理,该规模不需要任何用于在单点测量的机械转移的机械转移的杠杆机构已经在一些工业尺度上运行一段时间。它涉及将刚性板放置在多个机械变形元件上,将力换能器(例如应变计)连接到这些元件,并在惠斯通桥平衡电路中求出来自这些换能器的电信号,以获得与总负载成比例的测量盘子。

因为板上的负载是元件上所有负载的总和,但无论板上的负载分布如何,该措施都是相同的。

Ostrelich美国专利No.美国专利4,355,692引用了几个美国的工业秤专利,即在这一原则上运行,即美国专利No.第4,150,729号; 3,949,822; 3,966,003;和4,146,100。然后,Ostrelich然后描述了这种原理的应用程序对称重人员的小规模,提出通过用厚膜电阻替换更常见的应变计换能器来降低制造成本。

他描述了一种称重尺度,其中电加入在多个间隔的单个换能器上印象的负载以指示负载的总重量。虽然未声称在称重人员的小尺度上的应用是新的,但他确实说明厚膜电阻器的应用使得可以产生非常有限的垂直尺寸的比例。

然而,奥斯特雷奇描述的实施例施加离散的厚度以及加入该规模的重量要求。虽然薄膜电阻器本身,如应变仪,小于0.01"厚度,有许多其他机械和电气部件具有离散的厚度和重量要求,这是规模所需的。

在Ostrelich描述的实施例中,每个换能器安装在承载底板上,并且通过一对销在压力下放置在压力下,将基板与装载板和间隔的承载盖板分离施加负载并将其传递给换能器。

三个间隔的承载板和中间力传递引脚,对包含相同的刻度施加离散的厚度和重量要求。 Ostrelich设备另外包含一个相当大的电池单元,用于为电子电路和LED供电,进一步增加了刻度组件的厚度。

在Curchod美国专利No.5,199,480中公开的小尺度遇到了类似的厚度和重量要求。第4,174,760号; Schaenen美国专利No.美国专利号4,043,413; HAGS美国专利No.美国专利号2,910,287;和paddon等。美国专利。例如,美国专利No.4,363,368。

这些离散的厚度和重量要求已经在所有已知的工业,医疗和个人秤中发现,因此难以在行驶时将它们运送到袋中,以将它们抬起仔细的外观,将它们存放在机柜中或者把它们挂在墙上,以便让他们远离地板。

尽管许多尺度被宣传为存在"portable",它们很少小或轻松轻松移动。对于真正便携的比例,它应该比迄今为止产生的尺度更薄和轻,例如, 1/4"或更少的厚度和1磅或更小的重量。

应变仪电子秤概述

在本设计中实现了真正便携的重量和厚度要求,并以同时进行准确的标度,克服现有技术的缺点。

当前设计的规模是重量轻,便携式和非常低的轮廓,包括:

(a)一种具有基本平坦的上表面和下表面的单个刚性承载复合板,复合板是合适的尺寸和强度,以支撑放置在其上的人的常设或物体的重量;

(b)安装承载复合板的多个支撑脚,脚在复合板的下表面上间隔开,以支撑放置在其顶表面上的负载;

(c)(c)一种含有机械变形元件的多个薄换能器,用于将变形平移到电信号中,与各个支撑脚对齐并机械连接,并且在受到脚部施加的力的情况下,可自由变形;和

(d)低功耗和低垂直型材的电子装置,用于为换能器供电,并用于向其求和其信号输出并提供其读出,容纳在复合板内。换能器和电子装置包含在复合板内,以便不降低其刚性或增加其厚度。

本设计的规模提供了精确的重量测量,并且薄而足以容易被个体运输,即使在一个小的公文包或袋子里也是如此。复合板由两层或更多层刚性地彼此刚性粘合的层组成,使得可以将板的压缩和拉伸强度集中在其顶部和底表面上。

在本文所述的一个实施例中,在顶部和底层之间设置中间层(中心芯板)。该中心芯板主要用于剪切,最小需要高拉伸或抗压强度,然后可以由非常重的重量的材料或结构制成。

虽然顶层和底层需要较重的材料,但它们可能非常薄,因此也可以重量轻。复合板的夹层结构允许层在结构上作为最小重量和厚度的单个刚性板作用。

另外,组件的刚性使得可以用位于板的周边附近的多个浅脚上升高到地板上方,而不会导致板由于装载引起的偏转而触摸地板。因此,脚仅增加最小厚度(例如,0.2")整个规模。

向下施加在板上的负载产生相等且相反的力在换能器上的多个脚上向上施加。这允许浅脚本身,在任何情况下都需要将板上升到地板上方,用作负载测量机构的整体部分,并且消除了对单独的力传递销或其他负载承载构件的需求在独立的换能器装置上采用,从而进一步降低了规模所需的厚度。

测量由脚踏板夹在复合板中的换能器上施加的向上载荷也消除了对Ostrelich提出的多个单独板结构的需求,其中需要多个单独的板 - 两个以承受负载和一个到房屋换能器。

根据设计的另一个特征,用于求解多个换能器的信号输出的电子装置包括:

(i)信号产生装置,用于向每个力换能器提供信号;

(ii)适用于将电源连接到信号发生装置的装置;

(iii)换能器的惠斯通桥配置;

(iv)连接到惠斯通桥的输出的模拟放大器,用于放大其输出;

(v)连接到放大器输出的模数转换器;

(vi)显示驱动器和连接连接到模数转换器的输出;和

(vii)开关装置,用于使电力流到电路;

操作装置以提供对应于换能器的累积信号输出的权重信息的显示。

可以在本配置中采用各种薄型换能器或称重传感器。它们可以包括许多带有粘合到它们上的应变仪的光束配置;隔膜型传感器,带应变仪粘合到它们上;电容式传感器;压电晶体;隔膜压缩狭窄的碳质量;或奥斯特里奇提出的厚膜电阻器。

包含在本设计的优选实施方案中的力换能器包括:

(i)机械变形光束,当复合板从上方装载复合板时,响应于由脚部施加的力向上自由地偏转的梁,该梁由切成薄盘或接合到复合材料上的薄盘或其他构件的槽来限定盘子;和

(ii)应变计包括至少一个粘合到每个梁的应变仪并定位成提供与光束的偏转成正比的信号输出并在光束上的负载。

为换能器提供动力的电路具有非常电池,例如锂"coin" - 在电子计算器等中常见的型B滴点。

本设计特征的规模,但整个复合板厚度仅为四分之一英寸或更小,脚小于0.2"在高度,整个实施例重量小于一磅。


图1是用于应变仪电子秤的本发明的最小厚度和重量的电子个人规模的实施例的透视图




图2A是图2A的尺度的端视图。 1为应变仪电子秤




图3:是图3的刻度的分解等距。图1显示了用于应变仪电子秤的三层复合板



应变仪电子秤的描述

首先参考图1。参照图1.如图2A,2B和3所示,示出了优选实施例的整体视图,其低轮廓电子个人规模的最小厚度和当前设计的重量。如图1中最佳所示。如图3所示,刻度壳体包括夹层型结构中极薄层或板的承载复合板。

该结构的层包括顶板11,中心芯板12和底板13。这些层通常通过放置在组件的周边围绕的边缘边缘条带14来隐藏。边缘边缘条可以是塑料,橡胶或其他冲击吸收材料,并且附接到板11,12,13的外周,用于保护和防水。

或者,可以构造顶板11以便在中心芯板12和底板13上延伸,以形成连续光滑的表面而没有需要边缘14,以保护复合板的层。


图4D:是具有双层复合板的替代实施例的换能器组件的剖面等距视图;以及应变仪电子秤



构造复合板有几种可能的变型可以保持薄而薄,并且具有足够强的以承载载荷,例如沉重的人,而不会明显地偏转。除了详细讨论的三层夹层板之外,图2中所示。如图3所示,可以从夹层结构中的两个粘合板构造复合板,如图3所示。如图4D所示,(i)由高弹性模量的模制的轻质材料制成的上板,其基本上平坦的顶部和由下面的一组空腔形成,由浅肋的布置形成; (ii)类似于图2所示的底板。 3.

在图中。如图3所示,在优选实施例中,板的形状大致矩形,尽管可以替代地使用椭圆形,梯形或任何其他构造。这些可以具有各种尺寸的平板,这取决于要测量的物体的尺寸和形状。在其他形式的大致矩形形状中,可以用这里体现的原理构造尺度,这是伴随双腿所需的板的一半尺寸。

这种半尺寸的尺度可用于称重站在一条腿上的人。此外,可以用不同的尺寸板(包括用于站在一条腿的半尺寸板)和脚的不同数量和布置以确保稳定性并防止稳定性并且防止稳定性并防止秤触摸地板的尺寸和排列的两个尺寸靠近铰链区。

折叠版本中的脚可以适合板中的空腔,以便在折叠时不从刻度突出。这种折叠尺度可能更方便地用于行驶。

顶板11优选地,优选地,钢,铝或其他刚性金属,塑料或高弹性模量和高拉伸和抗压强度的材料,限定了足够刚性且足够大的表面,以允许成年人放置双脚在称重的范围内。当复合板从上方装载复合板时,底板13优选地是作用在张力的类似结构性质的材料。

底板13还提供用于换能器的壳体,并从下方保护内部机械和电测量部件。

中心芯板12优选地由非常重量轻,刚性材料(例如,聚氨酯泡沫)或较重材料的栅格或蜂窝布置制成,但是当复合板从上方装入复合板时,在剪切中作用的总光线,并限定各种空腔,用于容纳换能器和刻度的电子元件。

复合板的三层优选地与粘合剂粘合在一起,尽管它们可以铆接,拧紧或彼此相邻。顶部和中心板也可以由相同的材料制成并模制成一个单一实体,如图2所示。 4D。因此,组件的几层在结构上作为单个承载板形成。

现在参考图1和图2。如图1和3所示,顶板11可以包含在其表面的大部分上,其涂覆15的非滑动材料温暖到触摸,例如橡胶,粗糙的塑料或其他非金属材料,以提供安全性和非用于温暖的金属表面。

液晶显示器(LCD)16在刻度上提供了可见的重量。通过开口17示出的显示器16优选地覆盖有透明显示盖18,用于保护和防水。

如图1和图2所示。图2A,2B,3,4A,4C和4D,设置在底板13上的多个支撑脚19.支撑脚在底板10的下表面上间隔开,优选地定位在其拐角附近。脚不需要延伸超过0.2"从底板13。


图4A是通过本发明的规模具有三层复合板的放大,部分垂直部分,沿图4的线4-4截取。 2B用于应变仪电子秤



脚19,除了将复合板保持在地板上方以防止其湿,还在本设计中进行重要的负载转移和称重功能。硅树脂或其他密封件22(参见图4A)提供防水。

脚19具有球形底部,但是,可以在换能器梁24的中心(下面描述)下方的点处接触地板的许多其他形状的脚。还可以在脚底使用硬橡胶或塑料,而不会增加它们的整体高度,以便不划伤地板。

还可以将高度添加到脚上,其中单独的部件适合在它们下方或更换尺度在厚地毯上时用较高脚更换脚。

直接在每个支撑脚19上方是换能器或称重电池组件21.换能器组件21,其在图1和2中最好地看出。参照图3,4A,4B,4C和4D,执行本设计的实际机械重量测量功能。在现有技术的改进中,换能器组件直接地机械连接到与其对齐的相应支撑脚19。

在优选实施例中,每个换能器组件21包括具有换能器梁24的换能器主体23,该换能器主体23由槽25限定在其中。换能器主体23优选地是由金属,复合材料或高弹性模量的其他材料制成的浅锥形或圆柱形结构(例如钢),并且具有基本平坦的顶表面和底表面和水平唇缘26。

在优选实施例中,槽25通过换能器主体23一直切割并且基本上彼此平行,尽管这不是必需的。有许多可能的槽配置,其可以限定单个光束,一对横梁或星形形状的若干梁。


图4B:是图4的换能器组件的俯视图。 4A用于应变仪电子秤



还可以构造换能器主体23而没有用作薄膜的槽,其中支撑脚19从下方粘合到隔膜的中心。如图1所示。如图4B所示,槽25在每根端也略微放大,以在光束的末端建立应力集中区域。


图4C:是图4的换能器组件的剖视等距视图。 4A用于应变仪电子秤



此外,对准的支撑脚19直接连接到换能器梁24,从而提供简化的极薄的尺度结构。另见图4C。

每个换能器组件21装配在底板13中的凹口13a(图3和4a)。每个换能器主体23的唇缘26在底板13下方略微延伸,以将组件保持在适当位置。换能器组件21可以单独制造和校准,然后在最终组装中焊接或以其他方式粘合到位。

该布置提供了一个非常紧凑的组件,用于将力传递到用于测量的换能器。

直接在每个换能器梁24上方,并且附接到其上,是电阻应变仪28和29.中心应变仪28和边缘应变仪29各自连接在梁上的最大应变点处。中心应变仪处于最大拉伸应变的点,边缘应变仪,跨越"joint"在可弯曲的换能器梁2和换能器主体23的固定部分之间是在最大压缩菌株的点处。

以这种方式,应变计28,29可以测量换能器梁24中的应变,其与梁上施加的负荷直接成比例。在所示的优选实施例中,为每个换能器组件提供两个应变仪。每个规格有两个电引线,用于附接到电子电路(下面描述的),以测量光束上的负载。

如图所示如图3所示,紧接在含有换能器组件的底板上方是中心芯板12.中心芯板12限定了用于容纳设计的各种部件的各种品种。例如,例如,是用于换能器组件21的底板13中形成的凹口13a的空腔35;电池37的空腔36;用于LCD 16的腔38;用于印刷电路板(PCB)40的局部腔39;用于集成电路42的腔41;其他腔43用于包含在PCB 40上的其他电子元件,其电子部件通常如项目44所示。

包含电子元件42,44和LCD 16的PCB 40在腔39内配合。在优选实施例中,所有电子元件都焊接或以其他方式电连接到具有极薄的垂直尺寸(例如,小于0.030的PCB(例如,小于0.030)")。此外,将所有部件表面安装到PCB上,以消除PCB下方的焊料珠,进一步减小电子组件的整体垂直尺寸。

PCB 40可以通过导线49电连接到可移除的电池37,该电线可以是铜粘合到塑料以形成薄带以允许尺度的构造薄度。例如,电池37可以包括极薄的锂硬币型电池,但是根据尺度的使用频率,提供足够的电力来为部件供电一到两年。

或者,可以使用带有甚至更薄的垂直尺寸的卡形电池。导线49的端部也连接到应变仪PCB 40的引线(未示出),其伴随线可以用粘合剂等粘合到中心芯板12中的空腔中,以形成相对坚固的结构,为了承受可能发生的速度,如果刻度被运输并增加复合板的刚性。

覆盖PCB 40的下表面,导线49和电池37是底板13(参见图3)。底板包含用于移除电池37的开口45.电池盒从下面覆盖在底板的下侧上的防水电池盒盖48。

盖子48可以是螺旋入口的,卡扣或可滑动的安装。

还可以在全部或部分印刷电路板上具有额外的腔体并覆盖,以使其可以拆卸和修复。或者,可以在薄的塑料室中容纳电池和包括电子部件的电池,该电池可以从板的顶部和底部边缘,而不是下方滑入复合板。


图2B:是图2的尺度的底部平面图。 1为应变仪电子秤



如图1所示。如图2B所示,小悬挂孔20设置在底板的顶端,以使其可以悬挂在壁上的刻度。

现在可以描述重量测量的机械操作。参见图1和图2.如图4A,4B,4C和4D所示,当重量向下按压顶板11时,负载通过换能器组件21传递到支撑脚19.与重量相等且相反的力是向上脚19传递到换能器梁24。

这使得每个换能器梁24向上偏转。当重物被移除时,换能器光束24具有高弹性模量的换能器梁24与换能器主体23的上表面齐平的其原始平坦位置。

支撑脚向上施加的总力,即使重量不均匀地分布在复合板的顶部,也必须等于从上方按下的重量。要知道这种重量的值,必须知道向四个光束24上施加的向上力的值。

这些力在中心产生菌株和梁的边缘,该梁的边缘与下方垂直施加在其中心的力成比例。

换能器梁24的向上偏转将中心应变计28放置在张力和边缘应变尺寸29中的压缩,因为应变仪类似地向上偏转。这导致应变仪的电阻变化,改变任何电压差,它们可以与应变仪中的应变的直接成比例地施加到仪表上,从而调制任何电流,这些电流可以流过仪表。

由于应变仪的类型是相同的,它们产生类似的电压差,而是相反的符号。可以加入它们以产生大约一个应变仪的电压差,从而使每个换能器的灵敏度加倍。具有相反符号的两个仪表发射信号也取消了应变仪对应变仪的任何温度效应,因此在现有技术的尺度上提供明显的优势,例如由Ostrelich公开的,这需要隔热。


图5是表示应变仪电子秤的本发明规模的电子元件的示意图

View larger image 这里.


现在转向当前设计的电子电路。图5示意性地示出了用于将来自几个应变计28 29的信号输出转换为刻度上的数字读出的信号输出的组件。在电动操作中,应变计以惠斯通桥配置布置,使得所有应变计的电压差可以求和,总和与顶板11上的总重量成比例。

该总电压差异导致馈入集成电路(IC)42的模拟信号,该模拟信号将其转换为用于驱动LCD显示器16的数字信号。总电压差异可以根据需要缩放或向下缩放或向下缩放。显示器实际上对应于需要的重量或千克以磅或千克表示。

在图中。如图5所示,中心应变仪28示意性地示出为电阻器50-53和边缘应变仪表29示意性地示出为电阻器54-57,其在两个桥梁中并联连接,该桥接电阻被用作单个桥。例如,每个应变计可以具有350欧姆的电阻。

对于复合板上的给定负载,惠斯通桥输出处的总电阻是恒定的,无论各个应变仪的电阻的变化如何,尽管对重量不均匀,但允许恒定和精确的读出重量规模。

高电阻平行电路(电阻器57-60)用于零余额,以便在零施加的负载下取消桥接分量不匹配。桥的相对的腿连接到应变仪29,应变仪29被放置在压缩(降低电阻)上,并且分别放置在张力(增加电阻)中的仪表28,以便在负载时提供最高的灵敏度应用。

桥接电桥用稳压的1.2伏电源(例如由电池37提供),以便在整个电池寿命中保持校准的输出。电池37可以是3伏,250mAh的类型。

惠斯通桥的输出处的信号由放大器61放大,过滤,然后通过集成电路42内包含的模数转换器转换器转换为数字形式。集成电路42连接到LCD显示器如图16所示,还提供了显示器的驱动功能。

传统的开关86是瞬间的"on"当一个准备好使用比例时,切换允许电源流到电路。例如,它可以包括膜开关,以最小化结构的厚度。

惠斯通电桥输出处的差电压信号被校准,以显示10微伏/磅。放大器61可以例如包括LM363D精密仪器放大器,其连接以具有100的固定增益和极低的偏移电压漂移。

滤波器网络(元件63-70)放置在放大器61的输入处,以消除电噪声。偏移电压调节网络(元件71-75)由于这种效果而补偿任何输出。增益控制电位器76用作跨度校准,可用于校准磅或千克的秤。

然后通过另一个过滤器网络(元件77-85)进入电压,该电压包括IC 42,其包括41/2位,单芯片A / D转换器(ICL7129),其将输入电压转换为LCD 16的值精度优于0.05%。集成电路42还包括操作显示器16所需的驱动电路。

外部电压参考二极管87(ICL8069)和相关元件88-90用于通过电池37的调节电力激励桥接和IC。

在优选实施例中,显示器16是需要最小操作电流的LCD类型。它可以是三重设计,其允许从IC 42的每个控制线通电的三个元件。电阻器60可以用于零调整。电阻器76用于跨度调节(即,可以调整以表示不同的重量测量单位,例如磅或千克)。

组件91-96完成电路。在操作期间,整个电路从电池中汲取小于5毫安的电流。

优选实施例中的电子元件的标称值如下:





如此描述的电子电路操作以总和应变仪的信号输出,以产生与复合板上的总重量成比例的信号,然后简化并数字化以驱动显示装置以提供重量的数值读出的重量。

上述电子电路是用于操作当前设计的规模的优选配置。存在许多额外的电子特征,其可以结合到规模中而不需要物理修改或刻度的变化's mode of operation.

这些包括用于自动零调整的额外电路;为了锁定显示器后几秒钟锁定或删除对象以使人员拾取刻度并以较近的距离查看显示器;当一个人触摸它或步骤时,自动切换尺度;或者在一个人首先归零它们的单独重量时称重某物(例如一个手提箱)(例如,首先称重物品,按下底部,然后再次称重它们)。

类似地,例如,例如,可以利用电发光膜或其他发光元件从下面点光,该电发光膜或其他发光元件消耗少量电流,使得可以在较暗的房间内容易地读取。还可以将显示器和电子控制从复合板分离在单独的隔间中,通过电线或通过遥控器连接到板。

显而易见的是,在不脱离这种设计的新颖概念的范围的情况下,可以实现许多其他修改和变化,如所附的索赔所定义的那样:


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