專利名稱：用于失衡補償?shù)脑O備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量設備，并提供一種用于控制測量設備的方法和控制器以及一種用于校準測量設備的方法。具體地，本發(fā)明提供用于補償測量設備中(例如在順磁性氣體傳感器的扭秤中，或在用于測量磁場的設備中)的機械失衡的設備和方法。
背景技術：
測量設備的一種已知的示例包括一種扭秤，所述扭秤采用測試氣體的順磁性性質來測量存在于測量腔中的測試氣體的分壓。不均勻的磁場被施加于包含測試體的腔上。所述測試體由用作扭轉彈簧的懸絲來保持，以便允許所述測試體具有單個旋轉自由度。所述不均勻的磁場使得在順磁性氣體存在的情況下將擾動扭矩施加至所述測試體，且這使得所述順磁性氣體的分壓能夠被測量。氧氣是自然中存在的表現(xiàn)順磁性且與其它氣體相比具有較強的磁化率的少數(shù)氣體中的一種。順磁性氧氣傳感器已經在多種工業(yè)和醫(yī)療應用中被使用。在測量氧氣的分壓的系統(tǒng)的一些示例中，測試體包括安裝在剛性桿上的一對中空玻璃球體，所述剛性桿的中心安裝在保持張緊且垂直于所述剛性桿的細絲上。橫貫所述組件施加強磁場梯度，以使得作用在所述球體中的每一個上的力產生擾動扭矩，所述擾動扭矩與所述細絲的扭轉彈性反向(即，所述擾動扭矩使所述測試體移動直至所述擾動扭矩與由保持張緊的細絲所產生的扭矩相平衡為止一所述細絲用作弱扭矩彈簧)。這種類型的機構在美國專利2，416，344中進行了描述。在不均勻磁場中作用在球形測試體上的力Fm與所述球形測試體的體積V、磁場強度H和梯度dH/dz以及在測試體Xl和周圍樣本氣體X2之間的體積磁化率差成比例 (JAL "The magnetic susceptibility of nitrogen dioxide，，，G G Havens, Phys. Rev. vol 41 (1932)pp. 337-344)。即Fm V*H*dH/dz* (X1-X2)由于樣本氣體的體積磁化率與樣本氣體密度成比例，所以作用于測試體上的力與氧氣的分壓成比例。氧氣的體積磁化率在室溫下是1.9X10_6SI單位，而氮氣(典型的背景氣體)是-6. 7X IO-9SI單位。因此，由于氣體混合物(即使在量小的情況下)中的氧氣所形成的力基本上大于其它氣體組分，于是，該測量原理對于氧氣具有極好的選擇性。上述的力非常弱，典型地，對于在實際中可以獲得的磁場強度和測試體體積在純氧氣的情況下，所述力為幾微牛。因此，需要非常敏感的系統(tǒng)才能以氧氣感測應用中通常所需要的分辨率來測量該力。典型的優(yōu)選布置采用包括用于允許樣本氣體進入的入口的密封單元內部的磁化率扭秤。所述扭秤包括填充有反磁性氣體(例如氮氣)或真空剛性體積的測試體。所述測試體在所述密封單元中懸于不均勻磁場中，并通常通過最初以與填充所述測試體的反磁性氣體相同的反磁性氣體來填充所述單元而被平衡。當所述單元隨后填充有包含氧氣的樣本氣體時，順磁性氧氣被吸引至磁場較強的部分，且測試體旋轉。該旋轉被檢測和用于指示樣本氣體的氧氣含量。為了確保良好的線性度和高水平的靈敏度，采用了電子光學杠桿。光源被從在所述球體之間位于中心地安裝的反射鏡反射。在早期的裝置中，被反射的束使用表示位移程度的光學讀數(shù)來檢測。在后面研發(fā)中，所述反射束使用一個或多個光電檢測器來檢測，受控的電流在圍繞測試體基本上垂直于磁場纏繞的導體中通過，以使得由電流和固定的磁場的相互作用生成的扭矩與由順磁性氣體所產生的擾動扭矩反向，以將組件保持在固定的零位。平衡所述扭秤所需的電流然后可以被測量以便確定由順磁性效應所產生的擾動扭矩， 從而確定氧氣含量。對于基本機制的修改在英國專利GB 746，778中進行了描述。除去次級效應之外，所述組件僅僅允許測試體圍繞所述扭轉彈簧的縱軸旋轉，并禁止測試體相對于所述組件的任何線性運動。需要高靈敏度的現(xiàn)代氧氣傳感器仍舊使用精密的光學杠桿(見“Highly accurate measurement of oxygen using a paramagnetic gas sensor”，R PKovacich,N A Martin, M G Clift， C Stocks， I Gaskin， J Hobby, Measurement Science and Technology, vol 17(2006), pp. 1579-1585)。固態(tài)源(發(fā)光二極管)代替白熾光源使用，沿著以反向電極相連的一對光電二極管以在兩個光電二極管受到同樣照射時(即當束斑的中心恰好位于所述光電二極管之間時)提供零電壓的零位。使用一對光電二極管還具有避免共模誤差(例如，光源的強度波動)的優(yōu)點。該電子光學杠桿反饋系統(tǒng)給出了提高很多的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性。在靈敏的測量系統(tǒng)(例如上述示例的使用扭秤的順磁性氧氣傳感器)中，需要平衡機械元件。在沒有該平衡的情況下，不平衡的質量和重力的相互作用生成造成錯誤讀數(shù)的力(在上述示例性扭秤的情況下是失衡扭矩)。尤其，如果旋轉的測試體的質量中心與所述測試體的旋轉軸線不一致(即在上述示例中用作扭轉彈簧的懸絲)，則組件的傾斜或方向的變化將改變保持測試體的零位所需的扭矩。因此，當所述球體和相關聯(lián)的結構不具有與扭轉彈簧一致的質量中心時，配重必須增加以將質量中心移動至扭轉彈簧或接近扭轉彈簧。精確地平衡測試體的成本可以占據(jù)其制造成本的非常大的比重，且可能仍然有少量的失衡。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一方面提供一種測量設備，包括測試體，所述測試體由能夠使所述測試體圍繞旋轉軸線旋轉的支撐件保持；用于響應于測試激勵生成第一擾動扭矩的裝置，第一擾動扭矩在第一方向上圍繞所述旋轉軸線作用于所述測試體上；用于響應于控制信號生成第二扭矩的裝置，第二扭矩在與第一方向相反的第二方向上作用于所述測試體上；控制器，所述控制器用于改變所述控制信號，直至所述測試體實現(xiàn)平衡的零位位置為止；以及用于測量用于實現(xiàn)所述平衡的零位位置所需要的控制信號的裝置；所述測量設備還包括用于測量所述設備相對于加速度或重力場的方向的裝置；和用于根據(jù)所測量的控制信號和所測量的方向來計算對于機械失衡效應所需的補償并用于將所述補償施加于所測量的控制信號以確定平衡所述第一擾動扭矩所需要的經過修正的控制信號。本發(fā)明可以在靈敏的測量設備中實現(xiàn)，例如所述設備包括扭秤，在所述扭秤中，所述測試體具有單一的旋轉自由度，且所述第一和第二扭矩圍繞所述旋轉軸線作用。本發(fā)明的發(fā)明人已經意識到縮短用于實現(xiàn)平衡的扭秤所需要的時間或完全去除平衡操作將簡化產品制造和降低制造成本。本發(fā)明已經提供了能夠補償機械失衡的設備和方法。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，通過實現(xiàn)失衡補償來相對于已知的測量設備提高精度。本發(fā)明的優(yōu)勢還在于借助于失衡補償?shù)哪芰δ軌蚍潘芍圃旃畹氖聦崄韺崿F(xiàn)與已知設備可比的精度但制造成本較低。所述方向可以通過傾斜計或加速度計，例如三軸線微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計， 來測量。所述測試激勵可以是順磁性氣體進入到所述設備的測試腔。在包括扭秤的一個實施例中，所述擾動扭矩可以通過一組磁鐵施加，所述磁鐵在存在順磁性氣體的情況下在測試體上生成扭矩。所測量的控制信號可以是在連接至測試體的導體內流動的電流，或電壓或者設置或表示所述電流的其它可控參數(shù)。所述導體布置成位于所述磁場內以使得所述控制電流在測試體上生成第二扭矩?？蛇x地，所述控制信號可以是表示可控的第二扭矩的任何其它信號。所測量的方向和所測量的控制信號可以使用任何傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄裝置針對于多個不同方向來記錄。用于機械失衡的補償計算可以使用已知的電子部件的新布置或使用如下更詳細地所述的適當編程的數(shù)字數(shù)據(jù)處理單元來實現(xiàn)。本發(fā)明的第二個方面提供一種用在測量設備中的方法，所述測量設備包括測試體，所述測試體被支撐以能夠圍繞旋轉軸線旋轉；用于響應于測試激勵生成第一擾動扭矩的裝置，第一擾動扭矩在第一方向上圍繞所述旋轉軸線作用于所述測試體上；用于響應于控制信號生成第二扭矩的裝置，第二扭矩在與第一方向相反的第二方向上作用于所述測試體上；和控制器，所述控制器用于改變所述控制信號，直至所述測試體實現(xiàn)平衡的零位位置為止，其中所述方法包括以下步驟測量所述設備相對于重力場或加速度的方向；測量用于實現(xiàn)所述平衡的零位位置所需要的控制信號；根據(jù)所測量的控制信號和所測量的方向來計算對于機械失衡效應所需的補償；和將所需的補償應用于所測量的控制信號，以確定平衡所述第一擾動扭矩所需要的經過修正的控制信號。所述補償?shù)挠嬎憧梢栽诓淮嬖跍y試激勵的情況下進行，然后在存在測試激勵的情況下應用于后續(xù)的測量。所述方法可以包括以下步驟針對于所述設備的多個不同方向中的每個方向測量所述方向和所述控制信號；以及確定表征圍繞旋轉軸線的失衡力矩的一組參數(shù)，所述失衡力矩由失衡質量產生。然后，補償可以基于所述多個讀數(shù)進行計算。本發(fā)明的第三個方面提供一種用于順磁性氣體傳感器或安培計系統(tǒng)的控制器，所述系統(tǒng)包括扭秤，所述扭秤包括測試體，所述測試體由能夠使所述測試體圍繞旋轉軸線旋轉的測試體支撐部件保持；用于響應于測試激勵生成第一擾動扭矩的裝置，第一擾動扭矩在第一方向上圍繞所述旋轉軸線作用于所述測試體上；和用于響應于控制信號生成第二扭矩的裝置，第二扭矩在與第一方向相反的第二方向上作用于所述測試體上；其中所述控制器包括方向測量單元，例如加速度計，用于測量所述傳感器系統(tǒng)相對于重力場或加速度的方向；控制信號測量單元，例如安培計，用于測量實現(xiàn)所述測試體的平衡的零位位置所需的控制信號；和補償單元，例如適當編程的數(shù)字數(shù)據(jù)處理單元，用于基于由所述方向測量單元所測量的方向和由所述控制信號測量單元所測量的控制信號來計算機械失衡效應所需的補償，并且用于將所需的補償應用于所測量的控制信號以確定平衡所述第一擾動扭矩所需的經過修正的控制信號。所述補償單元可以計算和存儲表征所述設備內的失衡的補償系數(shù)，所述系數(shù)可以被應用于隨后測量的重力場和用于生成在所述設備相對于重力場的特定方向上的失衡效應的補償?shù)目刂菩盘?。本發(fā)明的第四方面提供一種設備，所述設備包括測試體，所述測試體由測試體支撐部件保持，所述支撐部件將所述測試體的運動限制成單一轉動自由度；用于生成第一扭矩的裝置，所述第一扭矩在第一方向上在單一自由度內作用于所述測試體上；用于生成第二扭矩的裝置，所述第二扭矩在與第一方向相反的第二方向上作用于所述測試體上；控制器，所述控制器用于將控制信號施加至所述用于生成第二扭矩的裝置，所述控制器用于改變所述控制信號，直至所述測試體實現(xiàn)平衡的零位位置為止；用于測量用于實現(xiàn)所述平衡的零位位置的控制信號的裝置；以及用于所述測試體的機械失衡補償?shù)难b置，其中所述補償裝置包括(a)用于針對于所述設備的多個不同方向中的每一個方向來測量所述設備相對于一致的加速度或重力場的方向的裝置；(b)用于針對于所述多個不同方向中的每個方向來記錄實現(xiàn)所述平衡的零位位置所需的所測量的控制信號；和(c)用于根據(jù)所測量的控制信號和所測量的方向來計算對于機械失衡的扭轉效應所需的補償?shù)难b置；和用于將所述補償應用于所測量的控制信號的裝置。本發(fā)明的一個實施例提供一種測量設備，所述測量設備包括扭秤，所述扭秤具有的測試體在擾動扭矩存在的情況下相對于所述設備的其它部分保持在固定的零位位置上。 測試體具有單一的旋轉自由度。擾動扭矩由于所述測試體與磁場的相互作用以及所述場與周圍的樣本氣體之間的相互作用而產生，所述樣本氣體具有與測試體不同的磁化率。所述測量步驟涉及測量磁場中的電流，所述電流需要生成用于維持或回復所述零位位置的反向扭矩。該實施例的示例應用是在一種測量系統(tǒng)中，所述測量系統(tǒng)采用扭秤中的氣體(例如氧氣(或諸如二氧化氮等另一種順磁性氣體))的順磁性性質來測量樣本氣體中的順磁性測試氣體的分壓。另外的應用涉及用于測量流體流或磁場強度的設備。本發(fā)明的另外的方面和實施例將在下面的實施方式的詳細說明中進行描述。


本發(fā)明的實施例在下面借助于示例參照附圖進行更詳細地描述，在所述附圖中圖1示意性地示出本發(fā)明可以用于其中的包括扭秤的順磁性測量設備的示意圖；圖2是測試體、失衡質量和方向傳感器的示意圖；圖3示出相對于X、Y和Z參考軸線的三個矢量；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測量設備的示意圖；圖5是在圖4中所示的設備中使用的電控制電路的示意圖；圖6是與圖4示出的設備以及圖5示出的電路一起使用的補償電路的簡化的電示意性圖；和圖7是示出用于計算失衡效應所需的補償?shù)牟襟E序列的示意性流程圖。
具體實施例方式在本發(fā)明的一個實施例中，測量設備的扭秤包括測試體，所述測試體具有施加于其上的擾動扭矩以及用于平衡所述擾動扭矩的受控的反向扭矩。測量產生所述反向扭矩的控制信號(例如電流)提供對造成所述擾動扭矩的激勵的有效測量。在具體的示例中，測量平衡貫穿包含樣本氣體的腔施加的磁場的效應所需要的輸入電流提供對所述腔內的順磁性測試氣體的分壓的有效測量。提供能夠補償測試體的機械失衡的部件。使用加速度計或傾斜計來確定測試體相對于地球引力場的方向或所施加的加速度，且這可以針對設備的多個不同方向來進行。對于所述多個方向中的每一個，可以測量表示平衡擾動扭矩所需的反向扭矩和由機械失衡所產生的扭矩的設備參數(shù)，且這些測量用于確定對于由失衡質量所導致的失衡扭矩所需的補償。采用如下所述的技術，其允許獨立于所述加速度計或傾斜計相對于所述測試體的方向確定補償值，只要所述測試體保持固定即可。圖1示意性地示出可以采用本發(fā)明的測量設備的扭秤10。所述扭秤包括由細絲 30懸吊的測試體20，所述細絲30提供測試體的旋轉軸線。所述測試體具有包含反磁性氣體的一對中空的玻璃球體40，所述球體由剛性桿以固定的間隔保持。在該實施例中，所述細絲30形成也圍繞所述球體中的每一個纏繞的導電體50的一部分。不均勻磁場通過一組成對的磁體60在每個球體附近形成。在所述細絲連接剛性桿的中心點的情況下，反射鏡70 被定位成用于檢測測試體的旋轉運動。光源80發(fā)出穿過窗口 100照射到反射鏡70上的光束，且從反射鏡反射的光可以由位于印刷電路板上的一個或多個光電檢測器90來檢測。 測試體被保持在氣密單元中，所述氣密單元具有用于接收樣本氣體的入口。當所述樣本氣體包括氧氣時，順磁性氧氣被磁場吸引，將擾動扭矩施加于測試體以克服懸絲30的扭轉阻力。測試體的旋轉對從反射鏡反射的光束具有可測量的效果。通過使電流通過測試體的導電體線圈50，所產生的磁場效應可以生成反向扭矩。 被供給至導體50的電流響應于控制信號以實現(xiàn)使得扭矩在扭秤的零位實現(xiàn)平衡的電磁場效應，所述控制信號響應于來自光電檢測器的信號而產生。如圖1所示的設備通常將依賴于測試體的部件的精密的機加工來最小化系統(tǒng)中的任何機械失衡，而且施加小的平衡質量以使測試體的質量中心移動得盡可能接近于懸絲 30。然而，該機加工和平衡是耗時和昂貴的。本發(fā)明通過確定失衡質量的效果和計算并施加對于這些效果的補償來避免了以機械方式抵消這種失衡質量的需求。測試體20的有效失衡質量22可以在圖2中示意性地示出，并可以出于分析的目的而被模型化為點質量。控制器包括；方向測量單元200 ；用于測量供給至導電體線圈的電流的控制信號測量單元；用于存儲表示測試體圍繞旋轉軸線的失衡力矩的數(shù)據(jù)存儲單元；以及用于基于所存儲的數(shù)據(jù)、所測量的方向和所測量的控制信號來計算和施加對于所測量的控制信號所需的補償。微型機械加工的加速度計200用于檢測測量設備相對于地球重力場的方向，或用于檢測在一個、兩個或三個正交軸線上所施加的加速度。在測量三個軸線的情況下，可以完全指定重力場或一致的加速度的大小和方向。在該實施例中的加速度計是被焊接到印刷電路板上的微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計。對于本發(fā)明，三軸加速度計是優(yōu)選的。然而，也可以使用其它的加速度計或傾斜計。加速度計可以被簡化成隨著設備改變方向而偏轉的具有檢驗質量的微型機械加工的懸臂梁、用于測量偏轉的裝置和表示所述方向的信號輸出。所述偏轉測量裝置可以是光學裝置、使用電容器的模擬裝置或數(shù)字裝置。測試體20在圖2中以相對于所述加速度計及其參考坐標系(以X、Y和Z軸線表示)的任意方向示出。測試體20相對于加速度計200的方向必須保持固定。不必需直到加速度計相對于所述系統(tǒng)的任何其它部分的方向，只要加速度計相對于測試體的位置保持固定即可?？梢允褂镁哂幸粋€、兩個或三個正交測量軸線的加速度計，但是所確定的校正將僅僅施加于所測量的所述數(shù)目的軸線中。對于廣泛的失衡補償，必須采用三軸加速度計。下面給出總體的三軸線分析。在使用較少的加速度計軸線的組件中，可以忽略計算表達中的相關項。如果所述失衡的位置和質量被確切知曉且在任何情況下在沒有失衡質量的情況下零位扭矩也被確切地知曉，則加速度測量可以用于在不需要特征操作的情況下補償上述誤差以確定失衡力矩。例如，所述失衡的位置和質量可以通過在制造裝備中測試扭秤來知曉。如果同一缺陷重復出現(xiàn)，則表示所述失衡的數(shù)據(jù)，例如補償系數(shù)，可以被存儲并用于一組扭秤。然而，在大多數(shù)情況下，這些參數(shù)將不會預先知曉，且各個設備的特征是需要的。 該特征操作可以在第一時間和位置被執(zhí)行，以確定系統(tǒng)參數(shù)和存儲表示這些參數(shù)的一組系數(shù)。所述特征化操作可以涉及以多個方向定位所述設備和確定特定的可控的輸入電流，所述輸入電流被供給至連接至測試體的導電體，且需要使所述扭秤在每個方向上平衡。然后可以計算表示所述失衡的一組系數(shù)，并將其存儲在非易失性存儲器中。此后，且可能在所述設備處于不同的位置和方向時，所述系數(shù)可以被應用于所測量的數(shù)據(jù)以確定所需的補償。所述補償可以是不昂貴的和能夠使用數(shù)字電子裝置來精確有效地計算所述補償項，而且還可以利用模擬計算技術有效地用于產生校正值，所述校正值可以作為電子系統(tǒng)中的電壓或電流來應用，或者在任何相關的情況下使用其它連續(xù)變化的介質或力來發(fā)揮作用。系統(tǒng)的分析使用加速度計的參考坐標系，在所述參考坐標系中，所述歸零的測試體的位置和所述組件的所有其它元件都是靜態(tài)的。僅僅外部的重力場或一致的加速度具有可變的大小和方向，它們可以使用加速度計被直接地測量。圖3示出表示系統(tǒng)相對于X、Y和Z參考軸線的矢量的簡化圖。圖3中的粗體字符B、D和G表示矢量。B是表示扭轉彈簧的方向的矢量，D是垂直于B的矢量，其限定所述失衡點質量m到扭轉彈簧的最短距離，G限定作用于測試體上的重力場矢量或其所承受的一致的加速度(相對于所述加速度計的參考坐標系)。
所述系統(tǒng)的參考坐標系由加速度計軸線來確定。B和D限定了失衡質量m所在的平面。如果B’和D’分別表示平行于B和D的單位矢量，則B’和D’的矢量積表示正交于由B和D所限定的平面的單位矢量。垂直于所述平面作用的G的分量以及因此圍繞所述扭轉彈簧形成的失衡力矩通過計算G與B’和D’的矢量積的標量積來確定。最后，所述失衡力矩通過將上次的計算結果與質量m以及懸絲和點質量之間的最短距離|D|相乘來確定。在數(shù)學上，I = m|D|G. (B，xD，)(公式 1)其中I是失衡力矩。在B、D和m已知的情況下，G通過加速度計測量，且失衡補償直接被計算。然而， 存在某些機構，對于這些機構而言，這些值是未知的且不能容易地確定。在下面描述的本發(fā)明的實施例包括用于通過少量的測量來推導補償矢量的機構。在所測量的物質或場不存在的情況下，將需要扭矩來保持測試體的零位位置。在優(yōu)選的平衡系統(tǒng)中，該零位回復扭矩將僅通過由在測試體處于零位位置時扭轉彈簧所形成的扭矩來確定。在大多數(shù)實際的系統(tǒng)中，所述零位位置回復扭矩將不為零，因此未知的特征推導必須包括確定零位扭矩T#fi，所述零位扭矩是在不存在失衡也不存在所測量的物質或場的情況下保持零位位置所需要的扭矩。失衡矢量I包括對應于三個坐標軸線的三個項。這些項中的每一項加上所述零位扭矩必須被確定。為了實現(xiàn)這種情況，測量組件被操縱以采納四個不同且獨特的方向。在每個方向上，重力場矢量G和回復扭矩T(或回復電流，Α，其用于表示Τ)被記錄。然后，所測量的值被用于計算和所述失衡矢量的三項。這些計算項被存儲，并可以被應用于后續(xù)的測量以補償所述失衡。所述操縱可以作為所述設備為使用定位時的校準操作的一部分而進行，但也可以在不同的時間和位置處進行。即使所述方向改變，也不必在每次使用所述設備之前都出于校準的目的來重復該操縱過程。順磁性氧氣測量設備能夠出于校準目的在三個軸線上旋轉，其可以使用如圖7所示的操作序列來補償機械失衡。當所述測量設備準備好被特征化時，其可以被安裝在試驗臺上，所述試驗臺包括可傾斜的平臺，且補償系數(shù)計算過程可以開始400。測量腔最初充滿反磁性氣體410，以使得所述特征化在不存在順磁性氣體的情況下進行，從而所述測試體和周圍氣體將經歷相同的反磁性效應。然后，所述設備沿第一方向定位420，例如單位矢量沿著平行于重力場矢量( ，GY，(iz)的方向的分量是(1，0，0)所在的方向。電流通過導電體線圈，所述導電體線圈圍繞所述測試體并發(fā)生變化直至所產生的扭矩與擾動扭矩和零位扭矩的組合效應平衡為止。實現(xiàn)該平衡的電流然后以方向數(shù)據(jù)記錄。之后，所述設備被重新定向成第二方向430，例如使得平行于( ，GY，Gz)的單位矢量是(1，0，0)，且所述回復電流八2 測量并以方向數(shù)據(jù)來記錄。進行另一次重新定向440，之后測量方向和回復電流A3,并記錄對于第三方向的該數(shù)據(jù)，例如使得平行于( ，GY, Gz)的單位矢量是(0，0，1)。進行進一步的重新定向450到第四方向，以使得平行于(Gx，GY, Gz)的單位矢量是(_1，0，0)，并測量另一個回復電流A4并以各自的方向數(shù)據(jù)記錄。具體的校準點如圖7所示，其中對于三個軸線中的兩個軸線的重力矢量項在每個測量方向上減小到零，所述校準點簡化了確定補償矢量和零位電流所需要的數(shù)學運算。注意到，在上述簡單的示例中，IA(AJA4)將給出k·。還注意到，Kmt= ，其中k是常量，在沒有任何失衡的情況下，八^^是零位位置回復電流，！》@是零位位置回復扭矩。類似地，A1 = kl\，A2 = kT2, A3 = kT3 和 A4 = kT4。參照圖7的上述具體的校準點僅僅是示例性的，而可以使用其它方向。尤其是，在進行新測量之前，不一定要將方向改變完整的90°，而可以采用更小的改變。所述設備(上述)的定向和重新定向優(yōu)選是全自動的，但是也可以在手動控制下進行。如步驟460和步驟470所示，數(shù)據(jù)處理單元然后對一組聯(lián)立方程進行求解，以確定失衡矢量的分量Ix，Iy和Iz。這些矢量分量可以被存儲并隨后乘以重力場矢量G以確定平衡機械失衡效應所需的電流A。因此，在四個不同方向上捕獲的數(shù)據(jù)將在被適當?shù)夭贾脮r形成一組四個聯(lián)立方程，所述聯(lián)立方程可以被求解以找到在不存在失衡或所測量的物質或場的情況下找出回復扭矩(或電流)以及I的三個獨立項。在數(shù)學上，求解If Glx+Iy Gly+Iz Glz+T 零位=T1(公式2)Ιχ· G2X+Iy G2y+1 ζ G2z+T 零位=T2(公式3)Ιχ· G3X+Iy G3y+Iz G3z+T 零位=T3(公式4)Ιχ· ^4χ+Ιγ G4y+Iz G4z+T 零位=T4(公式5) 其中Ix、Iy和Iz是未知的失衡矢量I的分量，Gnx、Gny和Gnz是所測量的矢量G在四個不同方向上的分量(η取值1，2，3，或4)，且T1, T2，T3，和T4是在四個不同方向上的回復扭矩。所述回復扭矩可以分別通過測量A1, A2, A3和A4來確定，所述A1, A2, A3和A4是生成T1, T2, T3,和T4的所測量的回復電流。出于計算的目的，可以不考慮常量k以及A禾Π T的不同單位，以確定對應于失衡效應的I的系數(shù)，這是由于根據(jù)本發(fā)明的該實施例的系統(tǒng)能夠使我們估算例如扭矩、生成所述扭矩的電流、或者生成所述電流的電壓或控制信號。然后可以根據(jù)決定在計算中使用的比例參數(shù)的乘法因子來采用合適的乘法因子。如果給定回復電流 A與所述回復扭矩T成比例，可以在數(shù)學上求解Ix. Glx+Iy. Gly+Iz. Glz+A^i=A1(公式 6)I, G2x+Iy. G2y+Iz. G2z+A零位=A2(公式 7)I, G3x+Iy. G3y+Iz. G3z+A零位=A3(公式 8)Ix.(i4x+Iy.G4y+Iz.G4z+A零位=A4(公式 9)許多技術都可用于求解上述聯(lián)立方程，且大多數(shù)是可用的。例如，表達式的代數(shù)運算給出如本說明書的附錄1中的公式11、公式12、公式13和公式14的解析結果(在該示例中使用的是扭矩而不是電流)。由所述系統(tǒng)的測量所獲得的數(shù)值可以被插入到附錄1中的表達式中。對于所涉及的良態(tài)的和受限的成組等式，解析解法已經被發(fā)現(xiàn)能夠非常有效和簡單地實現(xiàn)。然而，可以采用例如但不限于高斯-約當消元法(Gauss-Jordan Elimination) (進行或不進行主元選擇，但是對于僅僅四個等式的情況，主元選擇已經被發(fā)現(xiàn)是非必要的)、LU分解或奇異值分解來確定數(shù)值解。隨后，I與G結合使用來計算由于失衡導致的扭矩分量，且這之后可以被用于數(shù)值校正誤差，或可以直接地應用補償扭矩。
在數(shù)學上，T 失衡=I-G(公式 10)其中T^s是由于測試體在測量G時的機械失衡所導致的扭矩。注意到I = m|D| (B，xD，)圖4示出采用測試體的氧氣濃度測量系統(tǒng)，所述測試體包括置于不均勻磁場中的兩個填充氮氣的球體，且通過使電流經過圍繞所述球體纏繞的線圈而被保持在零位位置處。三軸加速度計200被安裝在剛性連接至所述系統(tǒng)的電路板210上。附圖標記20表示包括球體40和線圈50的測試體，附圖標記200是被焊接至印刷電路板210的三軸加速度計。所述電路板依次通過剛性機械固定裝置和焊接結點連接至安裝板220。所述安裝板包括透明窗口 100，所述透明窗口 100允許光源80照射安裝在測試體的中心處的反射鏡70。 從反射鏡反射的光照射光電池90，且電子電路形成圍繞測試體球體流過線圈的回復電流， 由此將測試體相對于安裝板以及印刷電路板和加速度計保持在固定的方向上。包含所述測試體的容積可以在測試下填充有氣體。如果所述氣體包含氧氣，則所述氧氣被吸引至最高磁場強度的區(qū)域，并試圖使填充有氮氣的球體移動。用于抵消所產生的扭矩所需要的回復電流與測試容積中的氧氣的分壓成比例。在特征化階段，儀器中的電子電路測量在四個不同位置處的每個位置中在所有三個軸線上的回復電流和對應于所述電流方向(或施加的加速度)的重力場矢量。該特征化在單元的組裝之后、用作氧氣傳感器之前進行。根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)計算失衡補償，并存儲在所述單元中所包含的非易失性電子存儲器中。圖5示出在氧氣測量系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中用于將測試體保持在零位位置的電路的示意圖。光電池90被反向平行地連接，以使得所述光電池在被等同地照射時不產生電流。照射通過由電流源310驅動的LED 80來提供。來自LED 80的光從安裝到測試體上的反射鏡70反射，以使得在零位位置處光電池90都接收相同量的照射。從所述零位位置的任何偏離通過使用運算放大器300來確定，且被放大的誤差使得電流流過扭轉元件30和回復電流線圈50。將測試體保持在零位位置處所需的回復電流由安培計320來檢測。圖5示意性地示出簡單和低成本的機構，但是其它方法也可以使用，包括但不限于通過使用數(shù)字信號處理器將光電池電流直接數(shù)字化，所述數(shù)字信號處理器用于實現(xiàn)用于控制將測試體保持在零位位置的可變電流源的算法；或者將可變電流源手動調整以將測試體保持在零位位置。圖6示出用在用于氧氣測量的失衡補償系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中的測量和補償系統(tǒng)的簡化示意圖。來自經過校準的三軸加速度計200和回復電流測量安培計320的模擬信號通過四通道模擬-數(shù)字轉換器330來進行數(shù)字化。微控制器340包含非易失性存儲器以存儲補償系數(shù)，且其應用如附錄1中的公式11、公式12、公式13和公式14中顯示的公式來計算抵消來自得自安培計320的氧氣測量讀數(shù)的失衡誤差。介質接口 350允許連接至用于測量報告的外部設備。附錄1Cl1 = Glx [ (G3z-G4z) · G2y+ (G4z-G2z) · G3y+ (G2z-G3z) · G4y]d2 = G2x [(G4z-G3z) · Gly+(Glz-G4z) · G3y+(G3z-Glz) · G4y]d3 = G3x [(G2z-G4z) · Gly+(G4z-Glz) · G2y+(Glz-G2z) · G4y]
d4=G4x [ (G3z-G2z) Gly+ (G11-G31) G2y+ (G21-GJ-G3y]
D=d1+d2+d3+d4
Πι=T1 [ (G3z-G4z)-G2yHKG4z-G2z) G3y4-(G2z--G3z) G4y]
η2=T2 [ (G4z-G3z)-GlyHKGlz-GJ G3^-(G3z-"Glz)* G4yI
η3=T3 [ (G2z-G4z)* Gly-KG4z-Glz) ν-(Glz--G2z) G4y]
η4=T4 [ (G3z-G2z)* Gly-KGlz-G3z) ν-(G2z-"Glz)-G3y]
τ— η, + η^ + η4 ( /入才m1XD
η5=T1 [ (G4z-G3z)* G2x-KG2z-G4z)-G3^-(G3z--G2z) G4J
η6=Τ2[ (G3z-G4z)* Glx-KG4z-Glz)-(Glz--G3z) G4J
η7=T3 [ (G4z-G2z)* Glx-KGlz-G4z)-(G2z-"Glz) G4J
η8:=T4 [ (G2z-G3z)* Glx-KG3z-Glz)-G2^-(Glz--G2z)-G3J
1.Il5 ； Il6 + Il7 +Ilo (公式12)
Dη9 :=T1 [(G3y-G4y)‘'G2x+(G4y--G2y)-G3^"(G2y-G3y).G4x]
η10二 T2 [ ((V-G3y)* Glx+(Gly_G4y)* G3x+ (G3y"Gly) G4J
ηιι二 T3[((V-G4y)* Glx-KG4y"Gly) G2x+ (Gly-G2y) G4:J
Π 2二T4[((V-G2y)* Glx-KGly-G3y) G2x+ (G2y"Gly)-G3J
1Z:Ilg 十 iljfJ4-nI D11+1112 (公式 13)
Π 3=T1 [(G3z* G4y--G3y ‘G4z)* G2x-KG4z G2y--G4y'G2z) G3x+(G3y* G2z-"G3z G2y) G4x
η14二哪知 G3y--G4y ‘G3z)* Glx-KGlz G4y--G4z ·Gly) G3x+(G3z* Gly-"Giz-G3y) G4x'
η15二 T3[((i4y* G2z--G4z ‘G2y)* Glx-KG4z* Gly--G4y'Glz) G2x+(Glz* G2y--Gly GJ G4x
η16=T4 [(G3z* G2y--G3y ‘G2z)* Glx-KG3y Glz_-G3z'Gly) G2x+(Gly* G2z-"Giz G2y)* G3x
H0 +n14+n15 +Iiw
權利要求
1.一種測量設備，包括測試體，所述測試體由能夠使所述測試體圍繞旋轉軸線旋轉的支撐件保持； 用于響應于測試激勵生成第一擾動扭矩的裝置，所述第一擾動扭矩在第一方向上圍繞所述旋轉軸線作用于所述測試體上；用于響應于控制信號生成第二扭矩的裝置，所述第二扭矩在與所述第一方向相反的第二方向上作用于所述測試體上；控制器，所述控制器用于改變所述控制信號，直至所述測試體實現(xiàn)平衡的零位位置；以及用于測量用于實現(xiàn)所述平衡的零位位置所需要的控制信號的裝置； 所述測量設備還包括用于測量所述設備相對于加速度或重力場的方向的裝置；用于根據(jù)所測量的控制信號和所測量的方向計算機械失衡效應所需的補償?shù)难b置；和用于將所述補償應用于所測量的控制信號以確定平衡所述第一擾動扭矩所需要的經過修正的控制信號的裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量設備，其中，所述設備包括用于順磁性氣體傳感器系統(tǒng)的控制器。
3.根據(jù)權利要求1所述的測量設備，其中，所述用于測量所述方向的裝置為加速度計。
4.根據(jù)權利要求3所述的測量設備，其中，所述加速度計為三軸加速度計。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的測量設備，其中，所述加速度計為微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計。
6.根據(jù)之前權利要求中任一項所述的測量設備，還包括 用于以多個不同方向中的每個方向定位所述設備的裝置；和數(shù)據(jù)記錄裝置，所述數(shù)據(jù)記錄裝置用于針對所述多個不同方向中的每一個記錄所測量的控制信號和所測量的方向；其中，所述用于計算補償?shù)难b置被布置以訪問所述數(shù)據(jù)記錄裝置。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的測量設備，包括扭秤，在所述扭秤中，所述測試體由每一端固定的懸絲支撐，所述懸絲限定測試體的旋轉軸線。
8.根據(jù)權利要求7所述的測量設備，其中，所述用于計算補償?shù)难b置包括用于確定失衡矢量以及計算補償?shù)难b置，所述失衡矢量表示圍繞由所述懸絲限定的所述旋轉軸線的失衡力矩，所述裝置計算與生成扭矩所需的控制信號相對應的所述補償以平衡由所述失衡力矩產生的扭矩，所述控制信號需要用于在沒有測試激勵的情況下實現(xiàn)平衡的零位位置。
9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的測量設備，包括用于限定用于容納順磁性測試氣體的測試腔的本體，所述測試氣體具有與所述測試體不同的磁化率；和用于將所述測試體支撐在所述測試腔內的安裝支撐件，并且其中，所述用于生成第一擾動扭矩的裝置包括布置用于生成貫穿所述測試腔的磁場的磁鐵，由此由于所述測試體與所述測試氣體相比具有不同的磁化率而生成作用在所述測試體上的扭矩。
10.根據(jù)權利要求9所述的測量設備，其中，所述用于在所述第二方向上生成所述第二扭矩的裝置包括導電體元件，所述導電體元件布置在所述磁體之間并連接至供電裝置，以基于所述磁體的磁場和所述導電體元件之間的相互作用生成作用在所述測試體上的反向扭矩。
11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的測量設備，包括光源，其中所述控制器包括電反饋控制電路，所述電反饋控制電路包括一個或多個光電檢測器，所述光電檢測器布置用于在從所述光源發(fā)出的光被連接至所述測試體的反射表面反射之后對所述光進行檢測。
12.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的測量設備，其中，所述測試激勵為測試物質的放入。
13.根據(jù)權利要求12所述的測量設備，其中，所述測試體被保持在所述測試腔內，且所述測試激勵被放入到順磁性氣體的所述測試腔中。
14.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的測量設備，其中，所述測試激勵為磁場的變化。
15.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的測量設備，其中，所述測試激勵為生成作用在所述測試體上的扭矩的待測量的場。
16.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的測量設備，其中，所述測試激勵為由于貫穿所述測試體的流體的流動生成的扭矩。
17.—種用在測量設備中的方法，所述測量設備包括測試體，所述測試體由能夠使所述測試體圍繞旋轉軸線旋轉的支撐件保持；用于響應于測試激勵生成第一擾動扭矩的裝置，所述第一擾動扭矩在第一方向上圍繞所述旋轉軸線作用于所述測試體上；用于響應于控制信號生成第二扭矩的裝置，所述第二扭矩在與所述第一方向相反的第二方向上作用于所述測試體上；和控制器，所述控制器用于改變所述控制信號，直至所述測試體實現(xiàn)平衡的零位位置為止，其中所述方法包括以下步驟測量所述設備相對于重力場或加速度的方向； 測量用于實現(xiàn)所述平衡的零位位置所需要的控制信號； 根據(jù)所測量的控制信號和所測量的方向計算機械失衡效應所需的補償；和將所需的補償應用于所測量的控制信號，以確定平衡所述第一擾動扭矩所需要的經過修正的控制信號。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，還包括以下步驟針對于所述設備的多個不同方向中的每個方向測量方向和控制信號；并且其中，補償?shù)挠嬎慊谒龆鄠€測量來進行。
19.根據(jù)權利要求17所述的方法，還包括以下步驟將針對于所述設備的所述多個不同方向中的每個方向測量的所述方向和控制信號存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置中；從所述數(shù)據(jù)存儲裝置中提取所存儲的數(shù)據(jù)；和將所提取的數(shù)據(jù)用于所述補償計算中。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中，所述測量設備包括扭秤，在所述扭秤中，所述測試體由每一端固定的懸絲支撐，所述懸絲限定所述測試體的旋轉軸線，其中所述方法包括確定表示圍繞由所述懸絲限定的所述旋轉軸線的失衡力矩的失衡矢量，并且其中所述補償計算包括確定生成扭矩所需的控制信號以平衡由所述失衡力矩產生的扭矩，所述控制信號需要用于在沒有所述測試激勵的情況下實現(xiàn)平衡的零位位置。
21. 一種用于順磁性氣體傳感器系統(tǒng)或流速計系統(tǒng)的控制器，所述系統(tǒng)包括扭秤，所述扭秤包括測試體，所述測試體由能夠使所述測試體圍繞旋轉軸線旋轉的測試體支撐部件保持；用于響應于測試激勵生成第一擾動扭矩的裝置，所述第一擾動扭矩在第一方向上圍繞所述旋轉軸線作用于所述測試體上；用于響應于控制信號生成第二扭矩的裝置，所述第二扭矩在與所述第一方向相反的第二方向上作用于所述測試體上； 其中，所述控制器包括方向測量單元，所述方向測量單元用于測量所述傳感器系統(tǒng)相對于重力場的方向； 控制信號測量單元，所述控制信號測量單元用于測量實現(xiàn)所述測試體的平衡的零位位置所需的控制信號；和補償單元，所述補償單元用于基于由所述方向測量單元所測量的方向和由所述控制信號測量單元所測量的控制信號來計算機械失衡效應所需的補償，并且用于將所需的補償應用于所測量的控制信號以確定平衡所述第一擾動扭矩所需的經過修正的控制信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量設備中的失衡補償?shù)脑O備和方法，為增加扭秤的精度和/或降低制造成本提供了選擇。進行方向測量并確定圍繞扭轉彈簧的旋轉軸線的失衡扭矩并用于計算補償。一個實施例的測量設備包括測試體和用于響應于順應性氣體在測試體上生成第一擾動力的一組磁鐵。在磁場中導體元件接收在反饋控制下生成第二反向力至所述測試體的電流，所述反饋控制改變所述電流直至所述測試體實現(xiàn)平衡的零位位置為止。測量實現(xiàn)固定的零位位置所需的控制信號。然后，通過測量所述設備相對于加速度或重力場的方向和確定由失衡質量所導致的失衡扭矩來對失衡質量進行校正。本發(fā)明的應用可以通過對失衡的補償來提高扭秤的精度或降低其制造成本。
文檔編號G01N21/74GK102192903SQ20111003599
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月9日 優(yōu)先權日2010年2月9日
發(fā)明者喬林·斯托克斯, 克里斯·愛德華, 詹姆斯·霍比, 馬丁·洛佩斯 申請人:仕富梅集團公司