CN101451897A - 电磁天平式小力值标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于计量测试技术，涉及一种电磁天平式小力值标准装置。装置主要由力臂杠杆、小砝码组及小砝码加载机构、大砝码组及大砝码加载机构、步进电机、减速箱、伺服电机、弹性平台、反向器、配平机构、电磁平衡器、电磁平衡指示器、砝码吊挂及反向器吊挂组成。本发明通过对一般杠杆式力标准机结构的借鉴，对高精度的电磁天平进行了改造，从而实现了小力值的计量和校准。在电磁天平的砝码端通过步进电机实现砝码的准确加载。当砝码加载完毕后，通过伺服控制系统来驱动精密的滚珠丝杠螺母来作为精密的调节机构来使天平达到平衡，从而实现天平两端的力值相等。

Description

电磁天平式小力值标准装置

技术领域

本发明属于计量测试技术，涉及一种电磁天平式小力值标准装置。

背景技术

力值是力学计量领域的基础量值之一。力值测量广泛地应用于航空、航天、船舶、兵器等国防科技领域，在民用工业如汽车工业等制造工业中也扮演着重要的角色。近些年来，随着纳米计量和微纳米机电系统等相关专业的快速发展，在其科研和生产中进行了大量的小力值的测量，如纳米硬度、薄膜机械性能测试、纳米材料弹性模量测试等试验过程中，都需要对微小力值进行准确的测试，才能保证试验结果的准确。在纳米硬度的测量中，其力值最大仅为10mN，在一些硅薄膜、复合硅薄膜等薄膜材料的机械性能测试过程中使用的负荷传感器，其量程范围为0～4.5N，其分辨率要达到0.005N(5mN)，力值测量误差一般要求在1％以内。这么小的力值测量的准确与否直接影响着科研和生产过程，影响武器型号的顺利完成，这就对小力值的计量提出了新的更高的要求。

目前常见的力标准装置有静重式结构的力标准机、杠杆放大结构的力标准机和液压放大结构的力标准机。由于结构和功能的限制，这些校准设备的力值范围均不能实现1N以下量程范围的力值校准。目前常用于较小量程范围的力值校准的设备为静重式机构的力标准机，而这类设备中均需要有反向器机构，且这一机构需作为装置的第一级力值，而由于结构和材料的限制，这一级力值不可能做到很小，所以当力值足够小时，此种结构不再具有可行性。对于杠杆放大结构的力标准机和液压放大结构的力标准机均适用于较大力值校准。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于较小力值校准的电磁天平式小力值标准装置。本发明的技术解决方案是，装置主要包括力臂杠杆、小砝码组及小砝码加载机构、大砝码组及大砝码加载机构、步进电机、减速箱、伺服电机、弹性平台、反向器、配平机构、电磁平衡器、电磁平衡指示器、砝码吊挂及反向器吊挂组成，力臂杠杆为等臂杠杆，在力臂杠杆一端的吊挂的下方安装大砝码及大砝码加载机构，挂臂安装在吊挂下部外侧，小砝码及小砝码加载机构与挂臂相连；步进电机和减速箱位于大砝码及大砝码加载机构的下方；力臂杠杆另一端的吊挂下产端挂装反向器，反向器包括四个工作横梁和两对立柱；伺服电机置于弹性平台的上方，伺服电机与滚珠丝杠螺母相连，滚珠丝杠螺母与反向器的下工作横梁相连；电磁平衡器安装在力臂杠杆中部的下方，电磁平衡指示器与电磁平衡器相连；配平机构安装在吊挂下部的外侧。

所述的配平机构包括三组配平砝码和三组配平挂臂组成，三组配平砝码各为三个不同质量的砝码组，每组配平砝码的前端各安装一个配平拔盘，三个配平拔盘分别安装在标准装置反向器一侧的外立柱上，每个配平拔盘的中心轴上挂接一组配平砝码。

所述的弹性平台为一个电子天平，安装在地基上，安装平板置于弹性平台与伺服电机之间，安装平板上装有抬升机构。

所述的小砝码组及小砝码加载机构前端为一拔盘，拔盘安装在标准装置砝码一侧的外立柱上，小砝码组挂接在拔盘的中心轴上，大砝码组及大砝码加载机构的上方与砝码吊挂相连，大砝码组及大砝码加载机构的下方与减速箱相连，减速箱安装在与地基相连的平台上。

每组配平砝码由质量相同或不同的砝码组成。

本发明具有的优点和有益效果，本发明主要采用等臂杠杆的原理，相当于一台杠杆比为1：1的杠杆式力标准机。在杠杆一端施加标准力值砝码，通过加载机构调节杠杆的水平，在杠杆另一端就产生相同的力值。这一力值再通过反向器施加到被校的力传感器或测力仪上。本发明通过对一般杠杆式力标准机结构的借鉴，对高精度的电磁天平进行了改造，从而实现了小力值的计量和校准。在电磁天平的砝码端通过步进电机实现砝码的准确加载。当砝码加载完毕后，通过伺服控制系统来驱动精密的螺母丝杠来作为精密的调节机构来使天平达到平衡，从而实现天平两端的力值相等。本发明采用高精度的电磁天平作为力标准装置的杠杆，通过调节电磁天平的等臂性来实现杠杆两端力值相等，调节方便，可以达到很高的准确度。

本发明增加了一套配平装置，提高了配平效率，保证了天平长期使用的精度。本发明设计了抑制天平失稳机构，保证了力标准装置的准确快速读数。当不同型号、不同质量的被测传感器与本装置连接时，可通过减码装置迅速实现天平的平衡。

附图说明

图1是本发明电磁天平式小力值标准装置原理图。

具体实施方式

电磁天平式小力值标准装置，主要由加载装置、控制系统、连接件和指示仪表构成。其加载装置主要采用等臂杠杆的原理，相当于一台杠杆比为1：1的杠杆式力标准机。其工作原理为：对高精度电磁天平进行改造，增加砝码及砝码加载机构、精密调节机构、反向器和配平装置等。在杠杆一端施加标准力值砝码，通过精密调节机构调节杠杆的水平，在杠杆另一端就产生相同的力值。这一力值再通过反向器施加到被校的力传感器或测力仪上。

本发明将砝码产生的重力通过杠杆机构产生力值，它比静重式力标准装置多了一级杠杆比为1：1的杠杆机构，因此，在杠杆一端施加一定力值的力值砝码，并调节杠杆平衡之后，在杠杆另一端可得到与砝码力值相同的力值。当杠杆保持平衡状态时，力值的计算公式为

$F=\mathrm{Kmg}(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{{\mathrm{\ρ}}_w})---\left(1\right)$

式中：F——力；

K——杠杆放大比，本发明采用的是等臂杠杆，K＝1；

m——砝码质量；

g——重力加速度

ρ_a——空气密度；

ρ_w——砝码密度；

加载机构由于有反向器、砝码吊杆和配重盘等机构的存在，以及在试验过程中的标准负荷，整个杠杆部分承受的总载荷为：

F_b＝F_m0+F_mt+F_e        (2)

式中：F_b——杠杆承受的总载荷；

F_m0——杠杆承受的初始载荷(包括反向器、砝码吊杆和配重盘等的重量)；

F_mt——力传感器本身重量产生的载荷；

F_e——试验时施加在杠杆上的载荷。

砝码的加载主要是通过手动加载片码和自动加载两部分完成。砝码加载完成后，通过伺服控制系统和精密的滚珠丝杠螺母进行天平平衡的微调，借助电磁天平的平衡显示仪表来判断最终天平的平衡。此时传感器所受力值即为加载砝码所产生的力值。

装置主要包括力臂杠杆1、小砝码组及小砝码加载机构2、大砝码组及大砝码加载机构3、步进电机4、减速箱5、伺服电机6、弹性平台7、反向器8、配平机构9、电磁平衡器10、电磁平衡指示器11、砝码吊挂12及反向器吊挂14组成，力臂杠杆1为等臂杠杆，在力臂杠杆1一端的吊挂12的下方安装大砝码及大砝码加载机构3，挂臂13安装在吊挂12下部外侧，小砝码及小砝码加载机构2与挂臂13相连；步进电机4和减速箱5位于大砝码及大砝码加载机构3的下方；力臂杠杆1另一端的吊挂14下产端挂装反向器8，反向器8包括四个工作横梁15、16、17、18和两对立柱19、20；弹性平台7安放在与地基相接的支座24上；安装平板21置于弹性平台7与伺服电机6之间；伺服电机6与滚珠丝杠丝母23相连，滚珠丝杠丝母23与反向器8的下工作横梁18相连；电磁平衡器10安装在力臂杠杆1中部的下方，电磁平衡指示器11与电磁平衡器10相连；配平机构9安装在吊挂14下部的外侧。

所述的力臂杠杆1采用了高精度电磁天平的等臂杠杆，在杠杆一端施加标准力值砝码，通过加载机构调节杠杆的水平，在杠杆另一端就产生相同的力值。较小的力值采用常规的砝码通过串接的方式无法实现，因此设计了小砝码组及小砝码加载机构2来实现较小力值的加载，小砝码组及小砝码加载机构2前端为一拔盘，拔盘安装在标准装置砝码一侧的外立柱上，小砝码组挂接在拔盘的中心轴上，通过小砝码拨盘可将小砝码依次施加在杠杆的砝码端吊挂12之上。对于较大力值的加载则通过大砝码组及大砝码加载机构3来实现。大砝码组及大砝码加载机构3的上方与砝码吊挂12相连，大砝码组及大砝码加载机构3的下方与减速箱5相连，减速箱5安装在与地基相连的平台上22。大砝码的自动加载可通过步进电机4和减速箱5组成的机构拖动大砝码加载机构来实现，步进电机转动相应的步长可完成不同力值砝码的依次加载。

所述的配平机构9包括三组配平砝码和三组配平挂臂组成，三组配平砝码各为三个不同质量的砝码组，每组配平砝码的前端各安装一个配平拔盘，三个配平拔盘分别安装在标准装置反向器一侧的外立柱上，每个配平拔盘的中心轴上挂接一组配平砝码。当被校的传感器置于反向器8上后，杠杆会失去平衡，此时撤除与传感器质量相同的配平砝码后再打开天平，即可重新恢复杠杆的平衡。这种配平方式一方面减少了配平所用的时间，另一方面不至于使天平杠杆有突然大角度的倾斜，同时也省去了传统杠杆式力标准机中所用的配平砝码托盘等结构。因此，这种配平方式既提高了效率，又保证了力臂杠杆的灵敏度，也使天平的精度经过长时间的使用后不会有较大的变化。

所述的反向器8是安装传感器，将力值施加到被测仪器上的部件，因此选择轻便的硬铝材料，使之具有足够的刚度、同轴度以及水平度。其中反向器8的上部两个工作横梁15、16主要用于安放拉向测量的传感器，反向器8的下部两个工作横梁17、18主要用于安放压向测量的传感器。

所述的弹性平台7为一个电子天平，安装在地基上，安装平板21置于弹性平台7与伺服电机6之间，安装平板21上装有抬升机构。伺服电机6和精密滚珠丝杠丝母23构成了精密调节加载机构，用来调节杠杆的水平，以保证两端力值的一致。不采用弹性平台7时，在精密调节加载机构起作用的条件下，天平很难达到平衡。分析其原因，我们认为是本机械天平机构和普通的天平用法存在较大差异造成的。普通的天平上加挂砝码，砝码处于自由状态，通过数次震荡后天平达到平衡状态。现在的天平结构实际上破坏了天平的这种动态平衡，而是天平一直处于一种失稳状态而难以达到平衡。为了使天平的两臂都处于相对自由的状态，本发明在精密调节机构的下方设计的弹性平台7，这样实际上就模拟了一般天平的状态，达到了控制天平平衡的目的。为了避免弹性平台7长时间承受压力，还设计了安装平板21，通过一个与地基相连的抬升机构可将安装平板21托起，这样，当力标准机不用时，可将弹性平台7上方的所有机构和弹性平台7脱开，达到了保护弹性平台的目的。本发明的采用的精密滚珠丝杠丝母23分辨力很高，可使系统实现平稳、微量的调节，避免了加载过程中会出现的跳动现象。

Claims (5)

1.电磁天平式小力值标准装置，其特征是，装置主要由力臂杠杆[1]、小砝码组及小砝码加载机构[2]、大砝码组及大砝码加载机构[3]、步进电机[4]、减速箱[5]、伺服电机[6]、弹性平台[7]、反向器[8]、配平机构[9]、电磁平衡器[10]、电磁平衡指示器[11]、砝码吊挂[12]及反向器吊挂[14]组成。力臂杠杆[1]为等臂杠杆，在力臂杠杆[1]一端的吊挂[12]的下方安装大砝码及大砝码加载机构[3]，挂臂[13]安装在吊挂[12]下部外侧，小砝码及小砝码加载机构[2]与挂臂[13]相连；步进电机[4]和减速箱[5]位于大砝码及大砝码加载机构[3]的下方；力臂杠杆[1]另一端的吊挂[14]下端挂装反向器[8]，反向器[8]包括四个工作横梁[15]、[16]、[17]、[18]和两对立柱[19]、[20]；弹性平台[7]安放在与地基相接的支座[24]上；安装平板[21]置于弹性平台[7]与伺服电机[6]之间；伺服电机[6]与滚珠丝杠丝母[23]相连，滚珠丝杠丝母[23]与反向器[8]的下工作横梁[18]相连；电磁平衡器[10]安装在力臂杠杆[1]中部的下方，电磁平衡指示器[11]与电磁平衡器[10]相连；配平机构[9]安装在吊挂[14]下部的外侧。

2.根据权利要求1所述的电磁天平式小力值标准装置，其特征是，所述的配平机构[9]包括三组配平砝码和三组配平挂臂组成，三组配平砝码各为三个不同质量的砝码组，每组配平砝码的前端各安装一个配平拔盘，三个配平拔盘分别安装在标准装置反向器一侧的外立柱上，每个配平拔盘的中心轴上挂接一组配平砝码。

3.根据权利要求1所述的电磁天平式小力值标准装置，其特征是，所述的弹性平台[7]为一个电子天平，安放在与地基相接的支座[24]上，弹性平台[7]上方放置有安装平板[21]，安装平板[21]上装有抬升机构。

4.根据权利要求1所述的电磁天平式小力值标准装置，其特征是，所述的小砝码组及小砝码加载机构[2]前端为一拔盘，拔盘安装在标准装置砝码一侧的外立柱上，小砝码组挂接在拔盘的中心轴上，大砝码组及大砝码加载机构[3]的上方与砝码吊挂[12]相连，大砝码组及大砝码加载机构[3]的下方与减速箱[5]相连，减速箱[5]安装在与地基相连的平台[22]上。

5.根据权利要求2所述的电磁天平式小力值标准装置，其特征是，每组配平砝码由质量相同或不同的砝码组成。