CN102169040A - 复合量程传感器跨量程测量质量质心的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合量程传感器跨量程测量质量质心的方法及其装置，利用三点力矩平衡的原理，使被测物体支承于由三只在平面坐标系上有确定坐标位置的双量程轮辐式测力称重传感器支撑的测量系装置中，由各传感器测得的载荷值之和即为被测件的重量，根据力平衡原理得到径向及轴向质心相对于测量坐标系的几何位置，再经过坐标系转换得到质心在被测件坐标系上的坐标。跨量程测量质量质心的装置分别包括测量质量径向质心和轴向质心的装置，由测量盘(架)、升降机构、支撑架、称重传感器、信号集中器等构件组成，具有通用性好、测试效率高、可实现一个系统进行跨量程测量而不损失测量精度的优点。

Description

复合量程传感器跨量程测量质量质心的方法及装置

技术领域

本发明属于测量设备技术领域，涉及一种复合量程传感器跨量程测量质量质心的方法及其测量装置。

背景技术

质量质心测量技术如悬吊法、天平法、力矩平衡法等到如今已非常成熟，其中力矩平衡法以其精度高、结构简单、施工便利、操作方便的优点得到了较广泛的应用。力矩平衡法是利用称重式原理的测量方法，实际应用中采用依据被测物的质量和几何尺寸特点而研制的专用的测量装置进行测量。但现有的这些装置以及方法仍存在有很多的缺点，主要表现在：1)通用性差——现有测量系统采用的是单量程称重传感器，由于称重传感器量程限制，一般只能用于质量相近物体的测试，跨量程测试困难很大，即在一个测量系统中，如果不同的被测物体的质量称量量程有相当大的跨度，则采用传统的传感器组秤方案要保证每一个被测物体的质量称量的当量精度就会存在风险；2)安装调试困难——由于采用的是传统模拟式称重结构，传感器安装条件对测量精度影响极大，空间尺寸的限制也无法同时安装多种不同量程规格的传感器，从而造成高精度测量的调试要求高、难度大；3)测量精度难以提高——现有的质量测量装置多以3级秤为标准，进一步提高难度很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种设计方案合理、通用性好、测试效率高、可实现一个系统进行跨量程测量而不损失测量精度的复合量程传感器跨量程测量质量质心的方法，同时提供一种用于实现该跨量程测量质量质心方法的测量装置。

本发明提供的复合量程传感器跨量程测量质量质心的方法包括测量质量径向质心的方法和测量质量轴向质心的方法，其中：

测量质量径向质心的方法是利用三点力矩平衡的原理，使被测物体支承于由三只在Z-Y平面坐标系上有确定坐标位置P1(Z1、Y1)、P2(Z2、Y2)、P3(Z3、Y3)的双量程轮辐式测力称重传感器支撑的测量系中，由各传感器测得的载荷值之和即为被测件的重量，根据力平衡原理可得到方程

∑Mz＝0    ∑My＝0            (1)

求解方程组(1)，即可得到径向质心相对于测量坐标系的几何位置

Y＝(P3*Y3+P2*Y2-P1*Y1)/G

Z＝(P1*Z1+P2*Z2-P3*Z3)/G    (2)

再经过坐标系转换即可得到质心在被测件坐标系上的坐标，(2)式中：

测量质量轴向质心的方法同样是利用三点力矩平衡的原理，使被测物体支承于由三只在X-Y平面坐标系上有确定坐标位置P1(X1、Y1)、P2(X2、Y2)、P3(X3、Y3)的双量程轮辐式测力称重传感器支撑的测量系中，由各传感器测得的载荷值之和即为被测件的重量，根据力平衡原理可得到方程

∑Mx＝0    ∑My＝0        (3)

求解方程组(3)，即可得到径向质心相对于测量坐标系的几何位置

Y＝(P3*Y3+P2*Y2-P1*Y1)/G

X＝(P1*X1+P2*X2-P3*X3)/G    (4)

再经过坐标系转换即可得到质心在被测件坐标系上的坐标，(4)式中：

$P1=\sqrt{{X1}^2+{Y1}^2},$ $P2=\sqrt{{X2}^2+{Y2}^2},$ $P3=\sqrt{{X3}^2+{Y3}^2}.$

用于实现上述测量质量质心方法的装置包括测量质量径向质心的装置和测量质量轴向质心的装置，其结构分别如下所述。

测量质量径向质心的装置具有三个对称分布在测量坐标系X轴周围的对重力垂直分量敏感的双量程轮辐式测力称重传感器和一个坐落在称重传感器上的环状测量盘，在测量盘上固定支撑有一个被测件定位盘，在定位盘下部装有旋转升降机构，旋转升降机构的旋转轴与测量坐标系X轴重合，称重传感器通过信号集中器与外部测量电路联接。

测量质量轴向质心的装置具有三个对称分布在测量坐标系Z轴周围的对重力垂直分量敏感的复合量程轮辐式测力称重传感器和一个坐落在称重传感器上的矩形测量架，在测量架上设有用于支撑被测件的定位支撑架，在测量架下部装有传感器升降机构，传感器升降机构的旋转轴与称重传感器称量轴重合，称重传感器通过信号集中器与外部测量电路联接。

在上述测量装置中所用的双量程轮辐式测力称重传感器具有一个安装在底托上的具有质量—弹簧—阻尼系统的大量程传感器和一个级联接设置在大量程传感器上的具有质量—弹簧—阻尼系统的小量程传感器，在小量程传感器上端设有压盖，大、小量程传感器的量程比大于10∶1，在小量程传感器内设置有限力止推保护机构。实际测量中，当被测件的重力作用于压盖后，若压(推)力小于小量程传感器的量程范围，则小量程传感器以大量程传感器为基础，进行小力值的测试；若压(推)力值大于小量程传感器的量程范围，则小量程传感器在限力止推保护机构处止推保护，由大量程传感器进行准确工作。这样测力称重传感器能够在同一过程完成变量程测试(也称做变量程传感器)，因此该结构可以保证传感器在一个变压(推)力作用的连续时间历程上准确测试压(推)力值的变化细节。

另外，在测量质量径向质心的装置的实际配置结构中，每个双量程轮辐式测力称重传感器分别支撑设置在一个带高度调节机构的测量支撑架上。

与现有技术相比，本发明采用复合量程轮辐式测力称重传感器应用于质量质心测试系统中，利用三点力矩平衡原理，有效地解决了质量质心测量系统的跨量程测试难题，可以使一台设备覆盖多个量程的测试，做到一个系统多种用途，节约了投资，提高了测试效率和经济效益。

附图说明

图1为测量质量径向质心的装置的结构示意图。

图2为测量质量轴向质心的装置的结构示意图。

图3为图2的俯向视图.

图4为径向/轴向质心测量原理图。

图5为复合量程轮辐式测力称重传感器的结构示意图。

图6为复合量程轮辐式测力称重传感器测试系统等效原理图。

图中各标号名称分别为：1-定位盘，2-测量盘，3-旋转升降机构，4-测量支撑架，5-双量程轮辐式测力称重传感器，51-接线盒，52-底托，53-大量程传感器，54-小量程传感器，55-压盖，6-信号集中器，7-被测件，8-传感器升降机构，9-定位支撑架，10-矩形测量架。

具体实施方式

参见附图1～3，本发明所述的跨量程测量质量质心的装置包括测量质量径向质心的装置和测量质量轴向质心的装置。

测量质量径向质心的装置由定位盘1、测量盘2、旋转升降机构3、测量支撑架4、称重传感器5、信号集中器6等构件组成。定位盘1用以固定被测件，同时将被测件坐标系转换到测量坐标系。测量盘2坐落在称重传感器5上，同时用于固定和支撑定位盘1，其上具有测量坐标系。旋转升降机构3用以被测件7的姿态调整，可以实现被测件7的升降和旋转，其旋转轴与测量坐标系X重合。测量支撑架4为称重传感器支撑机构，可上下调整称重传感器7的高度，实现测量盘2的水平调整。信号集中器6和电源接线盒联接，用于传递称重传感器信号。

测量质量轴向质心的装置由称重传感器5、信号集中器6、传感器升降机构8、定位支撑架9、矩形测量架10等构件组成。传感器升降机构8用于测量架的姿态调整，可通过传感器的升降实现测量架的升降。定位支撑架9可以前后调整，使被测件7被稳定的支撑，固定被测件7，同时将被测件坐标系转换到测量坐标系，使之坐落在测量架上。矩形测量架10坐落在称重传感器5上，用于承载被测件载荷。

本发明测量装置中用到的双量程轮辐式测力称重传感器的结构和测试系统等效原理分别如图5和图6所示。该称重传感器由接线盒51、底托52、大量程传感器(一级传感器)53、小量程传感器(二级传感器)54和压盖55组成，采用有较高系统刚度的孔辐式结构，并且两级级联，内设对小量程传感器的可靠保护结构，可保证传感器在变推力测试中的有效性。在被测件的压(推)力作用于压盖55后，若压(推)力值小于小量程传感器54的量程范围，小量程传感器54即以大量程传感器53为基础，进行小力值的测试；若压(推)力值大于小量程传感器54的量程范围，小量程传感器在限力止推保护机构处(图5中尺寸B处)止推保护，使大量程传感器53进行大力值的测试，可保证传感器在一个变推力作用的连续时间历程上准确测试推力值的变化细节。在图6所示的称重传感器等效原理图中，双量程轮辐式测力称重传感器和被测件的压(推)力作用机构构成一个小(欠)阻尼系统，即整个系统等效成图4所示的质量—弹簧—阻尼系统。图6中m₁表示大量程传感器的附加质量，m₂为小量程传感器附加质量和弹体质量之和；c₁、c₂分别为大小量程传感器的阻尼系数，k₁、k₂分别为大小量程传感器的刚度系数；F(t)为火箭发动机推力值，两级传感器的位移量分别为s₁、s₂。

设计中考虑到大量程传感器53始终要作为小量程传感器54的基础，因此大量程传感器53的结构刚度不应过低，故设计使大、小量程传感器的量程比大于10∶1，因为量程比大于10∶1，大量程传感器53至少有10倍的刚度余量作小量程传感器54的基础，从而保证小量程传感器54的静态工作边界条件，同时，大量程传感器53的工作频带比小量程传感器54宽10倍。为此将各个量程的传感器输出灵敏度按2mv/v设计，大量程为20KN，小量程为1KN，精度保证0.05级。

使用复合量程轮辐式测力称重传感器进行质量质心测量的方法是利用三点力矩平衡原理。以径向质心测量举例(如图4所示)，将被测件支承在由三只有确定坐标位置(P1、P2、P3)的称重传感器支撑的测量系中，由每只传感器测得的载荷值之和即为被测件的重量，根据力平衡原理可得到方程(1)，求解即可得到质心相对于测量坐标系的几何位置即式(2)中的Y、Z的解，再经过坐标转换即可得到质心在被测件坐标系上的坐标。图4中的A、B、C、D等点分别是被测件上几何量测量标点，通过测量以上各标点相对于测量坐标系的位置，即可得到两个坐标系的转换数值。

在本发明技术方案研发过程中，为证明复合量程传感器跨量程测量质量质心的测量效果，设计者曾就该测量方法及测量装置进行了相关的试验研究，结果如下所述。

质量称量量程及精度要求见下表。

表1：不同量程的物体及测量架构成的测试系统的精度要求

表1中列出的“质量”为被测物体的实际质量；“质量满量程”为被测物加上测量固定支架的总质量；“最大允许称量误差”是指为了保证测量精度在被测物体的实际质量的基础上按照当量精度进行的误差计算，如物体1的实际质量为2500，当量精度要求为0.05％，因此最大允许称量误差为2500*0.05％＝0.075Kg；“当量精度”是为了保证测量精度在被测物体的实际质量的基础上提出的测量精度；“满量程精度”为最大允许称量误差折合到径向质量满量程时的测量精度。

如果按照传统的传感器组秤方式，只能选择一种量程的传感器，则三只传感器的量程就只能选择为1200Kg，按照系统可达到的满量程精度0.02％计算，其满量程误差为3600*0.02％＝0.72Kg。折合到物体1质量2500Kg下的当量精度为0.72/2500＝0.03％，满足要求；折合到物体2质量1500Kg下的当量精度为0.72/1500＝0.048％，满足要求；但是折合到物体3质量800Kg下的当量精度为0.72/800＝0.09％，已远远大于0.05％当量精度的要求，无法满足。这就是使用单一量程传感器无法实现跨量程测量的问题所在。

而采用双量程轮辐式结构的称重传感器作为本系统的敏感元件，量程设置及精度见表2。选用轮辐式结构是因为该结构对侧向力和弯矩敏感度较低，有利于质心测量定位的准确。

表2：复合(双)量程传感器跨量程测量系统的量程设置及精度

由上表可见，采用复合(双)量程传感器其测量的当量精度均可被满足。通过上述对比，不难发现，使用复合(双)量程传感器解决了质量质心测量中的跨量程测量问题，可以使一台设备覆盖多个量程的测试，提高了其经济效益。

Claims (4)

1.一种复合量程传感器跨量程测量质量质心的方法，包括测量质量径向质心的方法和测量质量轴向质心的方法，其特征在于：

1.1测量质量径向质心的方法是利用三点力矩平衡的原理，使被测物体支承于由三只在Z-Y平面坐标系上有确定坐标位置P1(Z1、Y1)、P2(Z2、Y2)、P3(Z3、Y3)的双量程轮辐式测力称重传感器支撑的测量系中，由各传感器测得的载荷值之和即为被测件的重量，根据力平衡原理可得到方程

∑Mz＝0    ∑My＝0                    (1)

求解方程组(1)，即可得到径向质心相对于测量坐标系的几何位置

Y＝(P3*Y3+P2*Y2-P1*Y1)/G

Z＝(P1*Z1+P2*Z2-P3*Z3)/G              (2)

再经过坐标系转换即可得到质心在被测件坐标系上的坐标，(2)式中：

$P1=\sqrt{{Z1}^2+{Y1}^2},$ $P2=\sqrt{{Z2}^2+{Y2}^2},$ $P3=\sqrt{{Z3}^2+{Y3}^2};$

1.2测量质量轴向质心的方法是利用三点力矩平衡的原理，使被测物体支承于由三只在X-Y平面坐标系上有确定坐标位置P1(X1、Y1)、P2(X2、Y2)、P3(X3、Y3)的双量程轮辐式测力称重传感器支撑的测量系中，由各传感器测得的载荷值之和即为被测件的重量，根据力平衡原理可得到方程

∑Mx＝0    ∑My＝0                   (3)

求解方程组(3)，即可得到径向质心相对于测量坐标系的几何位置

Y＝(P3*Y3+P2*Y2-P1*Y1)/G

X＝(P1*X1+P2*X2-P3*X3)/G            (4)

再经过坐标系转换即可得到质心在被测件坐标系上的坐标，(4)式中：

$P1=\sqrt{{X1}^2+{Y1}^2},$ $P2=\sqrt{{X2}^2+{Y2}^2},$ $P3=\sqrt{{X3}^2+{Y3}^2}.$

2.一种用于实现权利要求1所述测量质量质心方法的装置，包括测量质量径向质心的装置和测量质量轴向质心的装置，其特征在于：

2.1所说的测量质量径向质心的装置具有三个对称分布在测量坐标系X轴周围的对重力垂直分量敏感的复合量程轮辐式测力称重传感器(5)和一个坐落在称重传感器(5)上的环状测量盘(2)，在测量盘(2)上固定支撑有一个被测件定位盘(1)，在定位盘(1)下部装有旋转升降机构(3)，旋转升降机构(3)的旋转轴与测量坐标系X轴重合，称重传感器(5)通过信号集中器(6)与外部测量电路联接；

2.2所说的测量质量轴向质心的装置具有三个对称分布在测量坐标系Z轴周围的对重力垂直分量敏感的复合量程轮辐式测力称重传感器(5)和一个坐落在称重传感器(4)上的矩形测量架(10)，在测量架(10)上设有用于支撑被测件(7)的定位支撑架(9)，在测量架(10)下部装有传感器升降机构(8)，传感器升降机构(8)的旋转轴与称重传感器(5)称量轴重合，称重传感器(5)通过信号集中器(6)与外部测量电路联接。

3.根据权利要求2所述的测量质量质心的装置，其特征在于：装置中所用的双量程轮辐式测力称重传感器具有一个安装在底托(52)上的质量—弹簧—阻尼系统大量程传感器(53)和一个级联接设置在大量程传感器(53)上的质量—弹簧—阻尼系统小量程传感器(54)，在小量程传感器(54)上端设有压盖(65)，大、小量程传感器(53、54)的量程比大于10∶1，在小量程传感器(54)内设置有限力止推保护机构。

4.根据权利要求2所述的测量质量质心的装置，其特征是测量质量径向质心的装置中的各双量程轮辐式测力称重传感器(5)分别支撑设置在一个带高度调节机构的测量支撑架(4)上。

Images