CN103499413A - 力杠杆和杠杆式力标准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种力杠杆和杠杆式力标准装置。该力杠杆包括：装有支撑件的杠杆本体，垂直于所述杠杆本体的长度中心线的传力件；其中，所述支撑件垂直于所述杠杆本体的长度中心线，所述传力件的中心线与所述支撑件的中心线平行；所述支撑件位于所述杠杆本体的长度中心位置；所述传力件位于所述杠杆本体的端部与所述支撑件之间。上述力杠杆具有两个重力臂，可通过改变砝码在不同的重力臂上的位置来改变传力件受到的作用力方向，则无需再设置力反向架就能够达到改变作用力方向的目的。该杠杆式力标准装置，采用应变铰作为支撑件和传力件，根据应变铰的输出来确定砝码在杠杆本体上的位置和杠杆放大比，从而获得拉向力和压向力。

Description

力杠杆和杠杆式力标准装置

技术领域

本发明涉及力标准装置技术领域，更具体地说，涉及一种力杠杆和杠杆式力标准装置。

背景技术

力标准装置，是产生标准力值及用于检定、校准力传感器或标准测力仪的装置。根据其力产生原理可分为四类：静重式力标准装置、杠杆式力标准装置、液压式力标准装置和叠加式力标准装置。其中，杠杆式力标准装置，是利用杠杆静力平衡原理，借助砝码和相应的加载机构，通过杠杆重力臂与力臂形成的杠杆放大比将砝码重力放大，在有空气的重力场中产生力值。

目前，杠杆式力标准装置采用的力杠杆为单重力臂力杠杆。如图1所示，单重力臂力杠杆主要包括：装有支撑件13的杠杆本体12，设置于杠杆本体12一端的传力件（传力件与杠杆本体12的连接点为力点，即B点）。其中，支撑件13位于杠杆本体12的一端与传力件之间的位置，杠杆本体12能够绕支撑件13的支撑点（支点，即A点）转动；传力件距支撑件13的距离L₁（力臂长度）小于支撑件13距杠杆本体12另一端的距离L₂（重力臂长度），传力件与杠杆本体12的水平中心线垂直设置，且传力件与支撑件13的竖直中心线平行。单重力臂力杠杆的使用方法是：将砝码11设置在杠杆本体12重力臂末端（重力点，即C点）的连接件（重点刀）下方，将被校力传感器14设置在传力件下方；先将砝码11通过C点的连接件（重点刀）施加到杠杆本体12的重力臂上，然后通过加力装置对被校力传感器14（单重力臂力杠杆的力点，即B点）施加反向平衡力（即拉向力）。

对于上述单重力臂力杠杆，根据静力平衡原理可知，砝码11的重力经重力臂与力臂形成的杠杆放大比放大产生作用力，即对被校力传感器14施加的作用力为拉向力，作用力F=W﹡L₂/L₁，其中，W为砝码11产生的重力；L₁为固定力臂，L₂为固定重力臂，L₂/L₁为固定杠杆放大比，且L₂>L₁。为了使被校力传感器14获得压向力，需要在杠杆本体12一端的传力件（力点刀）下方设置力反向架15，将被校力传感器14放置在力反向架15中的工作台上，通过力反向架15来实现对被校力传感器14施加压向力。

但是，在传力件上增设力反向架15，使得力杠杆的结构较复杂，增设力反向架15对被校力传感器14施加压向力时，被校力传感器14在力反向架15的传力结构中容易受到非轴向力的影响，从而影响到被校力传感器14的测量准确度。

另外，单重力臂杠杆式力标准装置，L₂/L₁为固定放大比的力杠杆，当需要改变对被校力传感器14施加的作用力大小时，只能通过改变砝码11的质量来实现，即需要增设多个砝码11和多个砝码组合加载的机构，导致杠杆式力标准装置的结构较复杂，体积庞大；而且由于杠杆式力标准装置配备的砝码11的数量有限，则获得的力值测量范围有限，获得不同大小的作用力（力级）的数目较少，导致该杠杆式力标准装置的测量性能受到限制、测量效率较低。

另外，通常单重力臂力杠杆的支点、力点和重力点均设置为“刀-刀承”组件，由于刀与刀承之间会产生摩擦力矩，导致力杠杆平衡时的灵敏限较大，对被校力传感器14施加的作用力影响较大，使被校力传感器14受到的作用力产生较大偏差。

综上所述，如何减少影响被校力传感器测量的因素，以提高被校力传感器的测量准确度，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种力杠杆，以减少影响被校力传感器测量的因素，进而提高被校力传感器的测量准确度。本发明的另一目的是提供一种具有上述力杠杆的杠杆式力标准装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种力杠杆，包括：装有支撑件的杠杆本体，垂直于所述杠杆本体的长度中心线的传力件；其中，所述支撑件垂直于所述杠杆本体的长度中心线，所述传力件的中心线与所述支撑件的中心线平行；其中，

所述支撑件位于所述杠杆本体的长度中心位置；所述传力件位于所述杠杆本体的端部与所述支撑件之间。

优选的，上述力杠杆中，所述支撑件为第一应变铰；所述第一应变铰包括：垂直于所述杠杆本体的长度中心线的第一弹性体，和设置于所述第一弹性体的主变形区内的第一电阻应变计电桥。

优选的，上述力杠杆中，所述第一弹性体呈长方体状，且所述第一弹性体具有两个与其主变形区中心线对称的第一凹槽，两个所述第一凹槽分别位于所述第一弹性体两侧，所述第一凹槽为圆弧凹槽；所述第一电阻应变计电桥设置于所述第一凹槽内。

优选的，上述力杠杆中，所述传力件为第二应变铰，所述第二应变铰包括：垂直于所述杠杆本体的长度中心线的第二弹性体，设置于所述第二弹性体的主变形区内的第二电阻应变计电桥；其中，所述第二弹性体呈长方体状，且所述第二弹性体具有两个与其主变形区中心线对称的第二凹槽，两个所述第二凹槽分别位于所述第二弹性体两侧，所述第二凹槽为圆弧凹槽，所述第二电阻应变计电桥设置于所述第二凹槽内。

优选的，上述力杠杆，还包括：与所述第二弹性体相连的机械铰，所述机械铰的弹性体的凹槽方向垂直于所述第二凹槽的方向，所述机械铰的弹性体的中心线与所述第二弹性体的中心线共线。

基于上述提供的力杠杆，本发明还提供了一种杠杆式力标准装置，该杠杆式力标准装置，包括：力杠杆，所述力杠杆的传力件用于设置被校力传感器；设置于所述力杠杆的杠杆本体上的砝码；用于对所述被校力传感器施加反向平衡力的加力装置；其中，

所述力杠杆为上述任意一项所述的力杠杆；

所述杠杆式力标准装置还包括：与所述砝码相连，驱动所述砝码沿所述杠杆本体的长度方向移动的驱动装置。

优选的，上述杠杆式力标准装置中，所述驱动装置包括：设置于所述杠杆本体上的丝杠机构，驱动所述丝杠机构的螺杆转动的驱动部件；其中，所述丝杠机构的螺杆的轴线与所述杠杆本体的长度中心线平行，所述砝码与所述丝杠机构的螺母连接。

优选的，上述杠杆式力标准装置中，所述驱动部件和所述加力装置均包括伺服电机和与所述伺服电机相连的减速机。

优选的，上述杠杆式力标准装置中，所述杠杆本体的两个侧面设置有供所述砝码移动的轨道，所述轨道关于所述杠杆本体的长度中心线对称。

优选的，上述杠杆式力标准装置中，所述砝码的数目为一个或者两个；当所述砝码的数目为两个时，两个所述砝码重叠放置。

本发明提供的力杠杆的使用方法是：将砝码放置在杠杆本体的正上方，当砝码位于杠杆本体的支点且砝码中心线与支撑件的中心线重合时，传力件未受到作用力；当砝码移动至支撑件一侧（如左侧），且传力件与被校力传感器连接时，传力件受到向上的作用力，即拉向力；当砝码移动至支撑件的另一侧（如右侧），传力件受到向下的作用力，即压向力。

本发明提供的力杠杆，将支撑件设置在杠杆本体的长度中心位置，使支撑件两边的杠杆长度形成两个重力臂，并将传力件设置在杠杆本体的端部与支撑件之间，使支撑件与传力件之间形成一个固定力臂；当该力臂长度远小于重力臂长度时，即可获得所需的杠杆放大比，并可利用固定质量的砝码在杠杆本体的两个重力臂上移动，通过改变砝码在重力臂上的位置来改变传力件受到的作用力方向，则无需再设置力反向架就能够达到改变作用力方向的目的，使得被校力传感器不受力反向架产生的非轴向力的影响，从而减少了影响被校力传感器测量的因素，进而提高了被校力传感器的测量准确度。

同时，本发明提供的力杠杆，通过改变砝码在两个重力臂上的相对位置来改变传力件受到的作用力的方向，能够实现对传力件施加拉向力、压向力或拉、压复合力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本技术领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的单重力臂力杠杆的原理图；

图2为本发明实施例提供的力杠杆的原理图；

图3为本发明实施例提供的力杠杆中第一应变铰的结构示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为本发明实施例提供的杠杆式力标准装置的结构示意图。

上图1-5中：

11为砝码、12为杠杆本体、13为支撑件、14为被校力传感器、15为力反向架、21为杠杆本体、22为第一应变铰、221为第一弹性体、222为第一凹槽、223第一电阻应变计电桥、224为电桥激励输入端、225为电桥电压输出端、23为传力件、24为机械铰、25为被校力传感器、26为砝码、27为驱动装置、28为加力装置、29为螺杆。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，现在将本专利中涉及到的技术名词解释如下：

杠杆重力臂（重力臂）：在杠杆上，用于承载砝码质量的、距杠杆支点较长的臂长部分（长臂）。

杠杆力臂（力臂）：在杠杆上，用于经传力件对被校力传感器施加作用力的、距杠杆支点较短的臂长部分（短臂）。

杠杆支点（支点）：在杠杆上，安装杠杆支撑结构（支撑件）支撑杠杆和砝码质量并承载杠杆力臂作用力的结点。

杠杆力点（力点）：在杠杆上，安装传递作用力结构（传力件）传递杠杆力臂作用力的结点。

输出灵敏度（灵敏度）：应变铰在额定负荷作用下产生的输出。该输出的单位为电阻应变计电桥的电压比率mV/V或μV/V；应变铰的输出灵敏度可根据所需额定负荷设计为±1000μV/V～±2000μV/V。

分辨力：应变铰输出灵敏度的最小分度值。应变铰的输出灵敏度经应变测量放大器放大，可达到±1000.001μV/V～±2000.001μV/V的分辨力。

灵敏限：杠杆力臂（力点）在无负荷或受负荷作用且杠杆处于平衡状态时，对杠杆力臂端的力点施加微小质量砝码，使应变铰输出产生可分辨的最小变化单位。灵敏限是用于检验杠杆支点“刀-刀承”组件（或其它支撑件）对力变化的敏感程度的指标。

力级：为砝码重力与杠杆放大比的乘积产生的标准力值，由砝码在杠杆重力臂上的位置决定的可测量细分的力值级差（例如杠杆放大比为100︰1，可分为以1为单位的100个等间隔力级）。

本发明实施例提供了一种力杠杆，减少了影响被校力传感器测量的因素，进而提高了被校力传感器测量准确度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的力杠杆，包括：装有支撑件的杠杆本体21，垂直于杠杆本体21的长度中心线的传力件23；其中，支撑件垂直于杠杆本体21的长度中心线，传力件23的中心线与支撑件的中心线平行，支撑件位于杠杆本体21的长度中心位置，传力件23位于杠杆本体21的端部与支撑件之间。

需要说明的是，支撑件和传力件23位于杠杆本体21的同侧。长度中心线是指，该杠杆本体21沿其长度方向延伸的中心线。支撑件的中心线，是指支撑件处于使用状态时，沿竖直方向延伸的中心线。传力件23的中心线，是指传力件23处于使用状态时，沿竖直方向延伸的中心线。支撑件的中心线垂直于杠杆本体21的长度中心线，传力件23的中心线垂直于杠杆本体21的长度中心线。长度中心位置，是指杠杆本体21沿其长度方向的中心位置。支撑件位于杠杆本体21的长度中心位置，即支撑件设置于杠杆本体21整个长度的中心，则以支撑件为中心将杠杆本体21划分为两段，且两段长度和质量均相等，使得该力杠杆具有两个重力臂。根据力学术语，支撑件与杠杆本体21的连接点为支点；传力件23与杠杆本体21的连接点为力点；砝码26在杠杆本体21上的位置点为重力点；力点距支点的距离为力臂；重力点距支点的距离为重力臂。为了便于描述，将支点记为A，将力点记为B，将砝码26产生的重力记为W，将力点B的传力件23和被校力传感器25所受的作用力记为F，将力臂A-B的长度记为L₁，支点A的左侧重力臂A-D的长度记为L₂，支点A的右侧重力臂A-C的长度记为L₃，如图2所示。由于砝码26产生的重力通常较小，被校力传感器25所需的作用力较大，故要求L₂>>L₁，L₃>>L₁，需要说明的是，L₂远大于L₁，L₃远大于L₁。

上述力杠杆中，当砝码26位于支点A时，L₂=L₃=0，传力件23未受到作用力，即F=0；当砝码26位于支点A的左侧使L₂≥L₁时，传力件23受到向上作用力为拉向力F_t，即F_t=W﹡L₂/L₁；当砝码26位于支点A的右侧使L₃≥L₁时，传力件23受到向下作用力为压向力F_c，即F_c=W﹡L₃/L₁。

本发明实施例提供的力杠杆的使用方法为：将砝码26放置在杠杆本体21上，被校力传感器25设置在连接传力件23的机械铰24正下方；当砝码26位于支撑件正上方（支点A，砝码26中心线与支撑件轴线重合）时，被校力传感器25受到的作用力为零；当砝码26位于支点A的左侧（A-D侧），且机械铰24与被校力传感器25连接时，被校力传感器25受到的作用力为拉向力；当砝码26位于支点A的右侧（力点B的右侧，B-C侧），且机械铰24与被校力传感器25不连接时，被校力传感器25受到的作用力为压向力；当砝码26在支点A的左右两侧（D-C之间）以较快速度往返运行时，且机械铰24与被校力传感器25连接时，被校力传感器25受到的作用力为拉、压复合力。

本发明实施例提供的力杠杆，将支撑件设置在杠杆本体21的长度中心位置，使支撑件两边的杠杆本体21形成两个重力臂，并将传力件23设置在杠杆本体21的端部与支撑件之间，支撑件与传力件23之间形成一个固定力臂；当该力臂长度远小于重力臂长度时，即可获得所需的杠杆放大比，并可利用固定质量的砝码26在杠杆本体21的两个重力臂上移动，通过改变砝码26在不同的重力臂上来改变传力件23受到的作用力方向，则无需再设置力反向架就能够达到改变作用力方向的目的，使得被校力传感器25不受力反向架产生的非轴向力的影响，从而减少了影响被校力传感器25测量的因素，进而提高了被校力传感器的测量准确度。

同时，本发明实施例提供的力杠杆，通过改变砝码26在两个重力臂上的相对位置来改变传力件23受到的作用力的方向，能够实现对传力件23施加拉向力、压向力或拉、压复合力。

本发明实施例提供的力杠杆，将支撑件设置于杠杆本体21长度中心的支点A，使支撑件支点与两边杠杆长度形成两个方向重力臂L₂和L₃；将传力件23设置在杠杆本体21的力点B，使支点A与力点B之间形成一个固定力臂L₁，该力臂的长度L₁与支点A两边重力臂的长度L₂和L₃形成两个方向的杠杆放大比（拉向放大比L_t=L₂/L₁和压向放大比L_c=L₃/L₁）；当在杠杆本体21上设置砝码26时，可通过改变砝码26在两个重力臂上的相对位置，来改变传力件23受到的作用力的方向，以获得拉向力F_t或压向力F_c；当砝码26在力杠杆两边重力臂上以较快速度往返运行时，还可获得拉、压复合力F_t-c。

为了进一步优化上述技术方案，上述实施例提供的力杠杆中，支撑件为第一应变铰22，该第一应变铰22包括：垂直于杠杆本体21的长度中心线的第一弹性体221；和设置于第一弹性体221主变形区内的第一电阻应变计电桥223。

需要说明的，弹性体221的主变形区内的电阻应变计电桥223为采用金属电阻应变计作为敏感栅，用应变粘接剂固定在经加工时效处理后的弹性体上，组成电阻应变计电桥。第一应变铰22是一种通过对弹性体221施加机械载荷使该弹性体产生正向纯弯曲变形或反向纯弯曲变形，输出为正向电压比率或反向电压比率（μV/V）的应变式传感器。该第一应变铰22具有电桥激励输入端224和电桥电压输出端225。具体的，当砝码26位于第一应变铰22支点A的左端时，记第一应变铰22的变形输出为正向电压比率ε_t-a（μV/V）；当砝码26位于第一应变铰22支点A的右端时，记第一应变铰22的变形输出为反向电压比率ε_c-a（μV/V）。

上述实施例提供的力杠杆，采用第一应变铰22作为支撑件代替“刀-刀承”组件，很显然，第一应变铰22仅受到正向弯矩（或者反向弯矩）的作用而产生正向纯弯曲变形（或者反向纯弯曲变形）而无摩擦力矩的影响，从而可以利用第一应变铰22具有的较高输出灵敏度和分辨力的特性，来获得力杠杆平衡时所需的较小灵敏限，达到减小对被校力传感器25施加作用力时产生力值偏差的目的。

优选的，上述实施例提供的力杠杆中，第一弹性体221呈长方体状，且第一弹性体221具有两个与其主变形区中心线对称的第一凹槽222，两个第一凹槽222分别位于第一弹性体221两侧，第一凹槽222为圆弧凹槽，第一电阻应变计电桥223设置于第一凹槽222内。需要说明的是，圆弧凹槽，是指的第一凹槽222的槽底面为圆弧面；第一电阻应变计电桥223的数目为两个，每个第一凹槽222内具有一个第一电阻应变计电桥223。这样，弹性体221的结构就便于安装在杠杆本体21支撑结构体上。当然，第一应变铰22还可为其他结构和其他形状，本发明实施例对此不做具体地限定。

上述实施例提供的力杠杆中，第一弹性体221两侧的第一凹槽222的中心线与杠杆本体21的长度中心线垂直。这样，便于接受杠杆本体21产生正、反向偏转时，使弹性体221产生正、反两个方向的纯弯曲变形。

优选的，上述实施例提供的力杠杆，传力件23为第二应变铰，第二应变铰包括：垂直于杠杆本体21的长度中心线的第二弹性体，设置于第二弹性体的主变形区内的第二电阻应变计电桥；其中，第二弹性体呈长方体状，且第二弹性体具有两个与其主变形区中心线对称的第二凹槽，两个第二凹槽分别位于第二弹性体两侧，第二凹槽为圆弧凹槽，第二电阻应变计电桥设置于第二凹槽内。需要说明的是，圆弧凹槽，是指的第二凹槽的槽底面为圆弧面；第二电阻应变计电桥的数目为两个，每个第二凹槽内具有一个第二电阻应变计电桥。这样，结合杠杆本体21支点A上的第一应变铰22和力点B上第二应变铰，在负荷作用下的产生正、反两个方向的纯弯曲变形的特性，利用两个应变铰产生相同方向的弯曲变形时的输出来判断杠杆本体21力点B受到的反向平衡力的大小，通过比较第一应变铰22和第二应变铰的输出灵敏度的值，来获得力点B与支点A的平衡点；同时，通过比较第一应变铰22和第二应变铰的相同方向变形输出还能够获得砝码26在重力臂上距力臂的力点B的准确位置，从而获得准确的杠杆放大比。

需要说明的是，第二应变铰与第一应变铰22的结构相同，在额定负荷作用下产生正、反两个方向弯曲变形的输出灵敏度相同（或相近）；具体的，当砝码26位于杠杆支点A第一应变铰22的左端时，记第二应变铰的变形为正向弯曲变形，输出电压比率值为ε_t-b（μV/V）；当砝码26位于力点B的右端时，记第二应变铰的变形为反向弯曲变形，输出电压比率值为ε_c-b（μV/V）。

为了进一步优化上述技术方案，上述实施例提供的力杠杆，还包括：与第二弹性体相连的机械铰24，机械铰24的弹性体的凹槽方向垂直于第二凹槽的方向，机械铰24的弹性体的中心线与第二弹性体的中心线共线。其中，机械铰24的弹性体与第二弹性体的结构相同，即弹性体呈长方体状，且弹性体具有与其主变形区中心线对称的两个凹槽，两个凹槽分别位于弹性体两侧，凹槽为圆弧凹槽。需要说明的是，凹槽方向是指凹槽的深度方向，第二凹槽的方向是指第二凹槽的深度方向。这样，能够改善杠杆本体21的横向水平度，以便正确传递杠杆本体21两边重力臂对第二应变铰的力点产生的作用力和正确传递被校力传感器25所受的反向平衡力。

优选的，上述实施例提供的力杠杆中，杠杆本体21的两个重力臂末端距支点A的距离设定为1000mm，即两个重力臂的最大长度为L₂=L₃=1000mm，力臂设定为固定长度L₁=10mm；两个方向的放大比为L₂/L₁=L₃/L₁=100︰1；显然，放大比可以根据重力臂长度L₂、L₃和力臂长度L₁进行调整，本发明实施例对此不做具体地限定。

基于上述实施例提供的力杠杆，本发明实施例还提供了一种杠杆式力标准装置，该杠杆式力标准装置包括：力杠杆，该力杠杆的传力件23用于设置被校力传感器25；设置于力杠杆的杠杆本体21上的砝码26；与砝码26相连，驱动砝码26沿杠杆本体21的长度方向移动的驱动装置27；用于对被校力传感器25施加反向平衡力的加力装置28；其中，力杠杆为上述实施例所述的力杠杆。

由于本发明实施例提供的力杠杆为双重力臂力杠杆，能够通过改变砝码26在两个重力臂上的相对位置来改变被校力传感器25所需作用力的方向，无需再设置力反向架，则本发明实施例提供的杠杆式力标准装置，采用上述实施例提供的力杠杆后，通过驱动装置27驱动砝码26沿连接驱动装置27的螺杆29的轴线运行，从而改变对被校力传感器25的作用力方向，简化了该杠杆式力标准装置的结构。

同时，本发明实施例提供的杠杆式力标准装置，设置有驱动砝码26沿杠杆本体21移动的驱动装置27，使得砝码26能够位于杠杆本体21重力臂上的任意位置，这样，就能够改变重力臂L₂或L₃的长度，从而改变杠杆放大比，进而改变被校力传感器25所受作用力的大小，则无需配备多个砝码26以及由多个砝码组合加载的加力装置28，从而减少了砝码26的数量，简化了复杂的砝码加载机构，因此可以节省砝码26的原材料，降低设备的制造成本。

同时，本发明实施例提供的杠杆式力标准装置，通过移动砝码26在力杠杆21上的位置来改变重力臂L₂或L₃的长度，进而改变被校力传感器25所受的作用力大小，这样，就能够获得连续的等间隔的力级或不等间隔的任意力级，从而完成一个完整的拉向力和压向力测量量程；还能够通过改变砝码26的运行速度完成连续测量的拉、压复合力，从而有效地提升了该杠杆式力标准装置的测量性能。

同时，本发明实施例提供的杠杆式力标准装置，可以通过改变力臂的长度L₁来获得尽可能大的杠杆放大比L₂/L₁或L₃/L₁，这样，可大幅度减小砝码26的质量（可减至是传统的采用“刀-刀承”支撑的单重力臂杠杆的1/10至1/100），因此需要的加荷时间可以相应地缩短，加荷速度可以减少至单重力臂杠杆的1/5至1/10，从而使得该杠杆式力标准装置的测量效率大幅度提高，驱动装置27所需的输出功率得到大幅度减小，具有较显著的节能效果。

同时，本发明实施例提供的杠杆式力标准装置，采用第一应变铰22作为支撑件，很显然，第一应变铰22无摩擦力矩的影响，使得力标准装置具有较小的灵敏限，避免了由支撑件带来的对被校力传感器25施加作用力时产生力值偏差；同时，第一应变铰22具有正向纯弯曲变形、反向纯弯曲变形和正向变形输出、反向变形输出的特性，可根据第一应变铰22正向输出灵敏度、反向输出灵敏度的值来判断该力杠杆是否平衡，从而获得力杠杆固定力臂力点无负荷时相对于力杠杆支点的初始平衡点；第一应变铰22与第二应变铰配合使用时，可以获得砝码26在杠杆本体21重力臂上的准确位置，即重力点与力臂的力点形成的杠杆放大比，避免采用昂贵的高分辨力位移传感器，从而降低了采用该力杠杆的杠杆式力标准装置的使用成本。

需要说明的是，第一应变铰22和第二应变铰的变形输出均需要通过应变测量放大器对其电阻应变计电桥的输出进行放大和校准，经放大和校准后的输出为电压比率单位mV/V或μV/V的量值，当然也可以使用相应的长度测量仪器对应变测量放大器的输出电压比率值进行校准，将mV/V或μV/V值转换为以mm或μm为单位的量值。本发明实施例对此不做具体地限定。

上述实施例提供的杠杆式力标准装置中，加力装置28需要由应变测量放大器与微机系统测量到的第一应变铰22和第二应变铰的输出信号反馈给微机伺服控制系统，由伺服控制系统对需要产生的每一个力级，执行对砝码26在L₂或L₃重力臂对L₁力臂的力点的相应位移量进行精确控制，以获得准确的放大比L₂/L₁或L₃/L₁；包括对砝码26在杠杆支点A初始平衡点时相对于初始零点的微小位移量的精确调控。优选的，上述实施例提供的杠杆式力标准装置中，第一应变铰22和第二应变铰的输出信号的测量使用高分辨力应变测量放大器，加力装置28为微机伺服控制的加力装置，这样，便于对被校力传感器25施加反向平衡力时的精确控制。本发明实施例对此不做具体地限定。

上述杠杆式力标准装置中安装有机械铰24，这种情况下：

拉向力测量时，被校力传感器25的上拉头与机械铰24的拉头连接（机械铰24拉头设置为U形拉头，被校力传感器25的上拉头设置为O形拉头，使机械铰24的U形拉头与力传感器25的O形拉头之间预留一定的间隙，以不影响杠杆的初始平衡）；被校力传感器25的下拉头与加力装置28的输出轴内螺纹连接，使用时，机械铰24的中心线、被校力传感器25的中心线和加力装置28输出轴的轴线三者共线，以保证拉向力测量同轴度。

压向力测量时，将被校力传感器25的上拉头更换为压头（为圆弧面），机械铰24的拉头更换为压杆（为平面），使被校力传感器25的压头与机械铰24的压杆之间预留一定的间隙，以不影响杠杆的初始平衡；力传感器25的下拉头与加力装置28的输出轴内螺纹连接，使用时，机械铰24的中心线、被校力传感器25的中心线和加力装置28输出轴的轴线三者共线，以保证压向力测量同轴度。

优选的，上述实施例提供的杠杆式力标准装置中，驱动装置27包括：设置于杠杆本体21上的丝杠机构，驱动丝杠机构的螺杆29转动的驱动部件；其中，丝杠机构的螺杆29的轴线与杠杆本体21的长度中心线平行，砝码26与丝杠机构的螺母连接。优先选择，驱动部件和加力装置28均包括伺服电机和与伺服电机相连的减速机。

上述实施例提供的杠杆式力标准装置中，砝码26的形状和砝码26与螺母的连接有多种实现方式，优先选择砝码26呈倒U形状长方体，将砝码26套设在螺母外侧（螺杆29通过砝码26的中心线与螺母连接），倒U形状长方体两端设置在杠杆本体21的两侧轨道上；或者砝码26由两个不同大小的倒U形砝码重叠套设在螺母外侧，小倒U形砝码与螺母连接，小倒U形砝码单独运行时作为小量程使用，两个砝码26重叠运行时作为大量程使用；本发明实施例对砝码26的形状和与螺杆29螺母的连接形式不做具体地限定。

为了便于砝码26沿杠杆本体21移动，上述实施例提供的杠杆式力标准装置中，杠杆本体21的两个侧面设置有供砝码26移动的轨道，轨道关于杠杆本体21的长度中心线对称。这样，通过轨道可对砝码26实现限位，以保证砝码26沿杠杆本体21作直线移动，进而保证砝码26沿杠杆本体21移动的位置精度，从而获得准确的放大比L₂/L₁或L₃/L₁；本发明实施例对承载砝码26运行的杠杆本体21上的轨道的安装位置不做具体地限定。

需要说明的是，砝码驱动装置27位于杠杆本体21的一端，即图5中的C端（也可以设置在D端）。螺杆29的轴线与杠杆本体21两侧的轨道的水平线平行，使砝码26安装在螺杆29上的重心约大于或等于杠杆本体21的重心；第一应变铰22和第二应变铰的安装水平面与杠杆本体21两侧的轨道的水平面共面。当然，还可采用两个第一应变铰22横向并联安装在杠杆本体21支点A的横向中心线上，以进一步改善杠杆本体21长度范围内的横向水平度；采用两个第一应变铰22横向并联与第二应变铰呈小角度小腰三角形定位安装（两个第一应变铰22位于两个小角的端点，第二应变铰位于三角形顶点），以减小支点A和力点B的距离，从而减小力臂L₁的长度；本发明实施例对此不做具体地限定。

为了最大程度地简化杠杆式力标准装置的结构，上述实施例提供的杠杆式力标准装置中，砝码26的数目为一个或为两个；当砝码26的数目为两个时，两个砝码26重叠放置。由于上述杠杆式力标准装置，改变砝码26的位置就能够改变被校力传感器25所受的作用力大小和作用力方向，选择合适的杠杆放大比，一个砝码26即可满足所需质量要求，从而无需使用多个砝码26和多个砝码组合的加力装置28，最大程度地简化了杠杆式力标准装置的结构。当然，也可选择较小杠杆放大比、增大砝码26的质量，还可选择较大杠杆放大比、减小砝码26的质量，本发明实施例对此不做具体地限定。

为了更系统地说明本发明实施例提供的杠杆式力标准装置，结合图5，具体地用一台额定负荷为100kN杠杆式力标准装置，对一台量程为10kN拉向和压向力传感器进行校准的示例，详细说明该杠杆式力标准装置的工作过程，如下：

设：W=1kN，L₁=10mm，L₂=L₃=1000mm；第一、第二应变铰在100kN额定负荷的±（1%～100%），即±1kN～±100kN的输出为±10μV/V～±1000μV/V，经应变测量放大器放大后的输出灵敏度为±10.000μV/V～±1000.000μV/V。

设：当砝码26位于杠杆本体21支点A左侧时，支点A受到正向弯矩的作用，记为f_t=F_t（为简化计算，未计入杠杆的重力），第一应变铰22受到正向弯曲变形时的输出为ε_t-a；力点B受到的作用力为F_t=W﹡L₂/L₁，第二应变铰受到正向弯曲变形时的输出为ε_t-b。反之，当砝码26位于杠杆本体21支点A右侧（力点B右侧）时，支点A受到反向弯矩的作用，记为f_c=F_c；第一应变铰22受到反向弯曲变形时的输出为-ε_c-a；力点B受到的作用力为F_c=W﹡L₃/L₁，第二应变铰受到反向弯曲变形时的输出为-ε_c-b。

拉向力的测量：测量前，将被校10kN力传感器25的上拉头与机械铰24的拉头连接（机械铰24的拉头设置为U形拉头，被校力传感器25的上拉头设置为O形拉头；使机械铰24的U形拉头与力传感器25的O形拉头之间预留一定的间隙，以不影响杠杆的初始平衡），力传感器25的下拉头与加力装置28的输出轴内螺纹连接；使用时，机械铰24的中心线、被校力传感器25的中心线与加力装置28输出轴的轴线三者共线，以保证拉向力测量同轴度。测量过程如下：

①由微机控制驱动装置27驱动螺杆29转动，使螺杆29上的螺母带动砝码26移动至杠杆本体21支点A，使L₂=L₃=0，即F_t=0；此时支点A受到的作用力为杠杆本体21和砝码26的重力设为f₀=0，第一应变铰22正、反向弯曲变形的输出为ε_t-a、ε_c-a，当力杠杆处于平衡状态时，ε_t-a=ε_c-a=0.000μV/V，由微机将该输出值记为力点B无负荷作用时的初始零点，即F_t=0；此时，可在机械铰24上施加微小质量砝码（例如10gf），使第一应变铰22的输出产生1个分度值的变化，即ε_t-a=ε_c-a=0.001μV/V；该微小质量砝码产生的重力即为力标准机无负荷时的灵敏限（例如0.1N）。

②接上述操作，由微机控制驱动装置27驱动砝码26移动至杠杆本体21支点A左侧，使L₂=10mm（放大比L₂/L₁=10mm/10mm=1）；此时，支点A受到的作用力为f_t=F_t=1kN，设第一应变铰22产生正向弯曲变形的输出为ε_t-a=10.000μV/V，由微机依据该输出值判定力点B产生向上的作用力为拉向力，此时，微机即依据该输出值控制加力装置28对被校力传感器25施加向下作用力，使第二应变铰正、反向弯曲变形的输出达到平衡，即ε_t-b=ε_c-b=0.000μV/V，此时力点B受到的作用力达到平衡，为F_t=W﹡L₂/L₁=1kN；同时第一应变铰22正、反向弯曲变形的输出达到平衡，即ε_t-a=ε_c-a=0.000μV/V；此时，由微机依据第一应变铰22和第二应变铰正向弯曲变形输出值的偏差（ε_t-a/ε_t-b=10.000/10.001μV/V），控制加力装置28来精确调整砝码26在重力臂上的位置，使L₂=10mm达到测量要求。至此，杠杆式力标准装置已完成了对被校力传感器25的1kN拉向力级的校准。

③接上述操作，由微机控制驱动装置27驱动砝码26继续向支点A左侧移动，使L₂=20mm，此时支点A受到的作用力为f_t=F_t=2kN，设第一应变铰22产生正向弯曲变形的输出为ε_t-a=20.000μV/V；此时，微机即依据该输出值控制加力装置28对被校力传感器25施加向下作用力，使第二应变铰正、反向弯曲变形的输出达到平衡，即ε_t-b=ε_c-b=0.000μV/V，此时力点B受到的作用力达到平衡为F_t=W﹡L₂/L₁=2kN；同时支点A第一应变铰22正、反向弯曲变形的输出达到平衡，即ε_t-a=ε_c-a=0.000μV/V；此时，由微机依据第一应变铰22和第二应变铰正向弯曲变形输出值的偏差（ε_t-a/ε_t-b=20.000/20.002μV/V），控制加力装置28精确调整砝码26在重力臂上的位置，完成L₂=20mm的测量。至此，杠杆式力标准装置已完成了对被校力传感器25的2kN拉向力级的校准。

④接上述操作，按照上述测量程序，继续对被校力传感器25的其他拉向力级进行校准。最后，当完成被校力传感器25的额定负荷10kN拉向力的校准，力杠杆处于平衡状态时，由微机依据第一应变铰22的初始零点值，控制加力装置28驱动砝码26向支点A右侧移动，使砝码26返回到杠杆本体21的支点A，使第一应变铰22的初始零点值ε_t-a=ε_c-a=0.000μV/V。至此，力标准装置就完成了对被校10kN力传感器25的1kN、2kN、3kN…..10kN，10个等间隔拉向力级的校准。

压向力的测量：将被校力传感器25的上拉头更换为压头（为圆弧面），机械铰24的拉头更换为压杆（为平面），使力传感器25的压头与机械铰24的压杆之间预留一定的间隙，以不影响杠杆的初始平衡，力传感器25的下拉头与加力装置28的输出轴内螺纹连接；使用时，机械铰24的中心线、被校力传感器25的中心线与加力装置28输出轴的轴线三者共线，以保证压向力测量同轴度。测量过程如下：

接上述拉向力测量的第④项操作，由微机控制驱动装置27驱动砝码26移动至杠杆本体21的支点A右侧，使L₃=10mm（放大比L₃/L₁=10mm/10mm=1）；此时，支点A受到的作用力为f_c=F_c=1kN，设第一应变铰22产生反向弯曲变形的输出为ε_c-a=10.000μV/V，由微机依据该输出值判定力点B产生向下的作用力为压向力，此时，微机即依据该输出值控制加力装置28对被校力传感器25施加向上作用力，使第二应变铰正、反向弯曲变形的输出达到平衡，即ε_t-b=ε_c-b=0.000μV/V，此时力点B受到的作用力达到平衡为F_c=W﹡L₃/L₁=1kN；同时第一应变铰22正、反向弯曲变形的输出达到平衡，即ε_t-a=ε_c-a=0.000μV/V；此时，由微机依据第一应变铰22和第二应变铰反向弯曲变形输出值的偏差（例如ε_c-a/ε_c-b=-10.000/-10.001μV/V），控制加力装置28来精确调整砝码26在重力臂上的位置，使L₃=10mm达到测量要求。至此，力标准装置就完成了对被校10kN力传感器25的1kN压向力级的校准。

接上述操作，按照上述测量程序，继续对被校力传感器25的其他压向力级进行校准。最后，当完成被校力传感器25的额定负荷10kN压向力的校准，力杠杆处于平衡状态时，由微机依据支点A第一应变铰22的初始零点值控制加力装置28驱动砝码26向支点A左侧移动，使砝码26返回到杠杆本体21支点A，即初始零点值ε_t-a=ε_c-a=0.000μV/V的位置。至此，力标准装置就完成了对被校力传感器25的1kN、2kN、3kN…..10kN，10个等间隔压向力级的校准。

本示例仅是对一台量程为10kN拉、压向力传感器的10个等间隔拉、压向力级的校准示例，很显然，对一台额定负荷为100kN杠杆式力标准装置，还可以完成其他量程的拉、压向力传感器的校准，例如量程20kN、30kN…..100kN；通过本示例可以看出，依据应变铰具有的高分辨力输出灵敏度的特性，被校力传感器25的量程越大，所需L₂、L₃的值越大，应变铰的输出灵敏度值就越大，相应的放大比L_t=L₂/L₁和L_c=L₃/L₁的测量准确度就越高。因此，通过本示例也起到了对本发明所公开的实施例的可行性验证的目的，即本发明实施例提供的杠杆式力标准装置完全可以实现100︰1杠杆放大比，并产生以1为单位的100个等间隔标准力值的力级。

需要说明的是，杠杆式力标准装置的拉向放大比L_t=L₂/L₁或压向放大比L_c=L₃/L₁，其中的L₁为力杠杆固定力臂，L₁长度为一定值，是在使用力杠杆时通过精密测量支点A与力点B的长度得到；L₂、L₃为力杠杆支点左右两边重力臂的长度为一变化值，L₂和L₃的测量准确度是利用第一应变铰22、第二应变铰配合具有高分辨力应变测量放大器来测量砝码26在杠杆本体21上的准确位置实现的。另外，根据国家现有法规（JJG734力标准机），在对力标准装置进行周期检定时，还需要利用高准确度等级的标准测力仪对放大比L_t=L₂/L₁和L_c=L₃/L₁的准确度进行检测验证，即利用标准测力仪来检测杠杆式力标准装置产生的拉向力F_t=W﹡L₂/L₁和压向力F_c=W﹡L₃/L₁的力值准确度，从而使杠杆式力标准装置的拉向放大比L_t=L₂/L₁和压向放大比L_c=L₃/L₁的测量准确度得到可靠的保证。

对所公开的实施例的上述说明，使本技术领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种力杠杆，包括：装有支撑件的杠杆本体（21），垂直于所述杠杆本体（21）的长度中心线的传力件（23）；其中，所述支撑件垂直于所述杠杆本体（21）的长度中心线，所述传力件（23）的中心线与所述支撑件的中心线平行，其特征在于，

所述支撑件位于所述杠杆本体（21）的长度中心位置；所述传力件（23）位于所述杠杆本体（21）的端部与所述支撑件之间。

2.如权利要求1所述的力杠杆，其特征在于，所述支撑件为第一应变铰（22）；所述第一应变铰（22）包括：垂直于所述杠杆本体（21）的长度中心线的第一弹性体（221），和设置于所述第一弹性体（221）的主变形区内的第一电阻应变计电桥（223）。

3.如权利要求2所述的力杠杆，其特征在于，所述第一弹性体（221）呈长方体状，且所述第一弹性体（221）具有两个与其主变形区中心线对称的第一凹槽（222），两个所述第一凹槽（222）分别位于所述第一弹性体（221）两侧，所述第一凹槽（222）为圆弧凹槽；所述第一电阻应变计电桥（223）设置于所述第一凹槽（222）内。

4.如权利要求1所述的力杠杆，其特征在于，所述传力件（23）为第二应变铰，所述第二应变铰包括：垂直于所述杠杆本体（21）的长度中心线的第二弹性体，设置于所述第二弹性体的主变形区内的第二电阻应变计电桥；其中，所述第二弹性体呈长方体状，且所述第二弹性体具有两个与其主变形区中心线对称的第二凹槽，两个所述第二凹槽分别位于所述第二弹性体两侧，所述第二凹槽为圆弧凹槽，所述第二电阻应变计电桥设置于所述第二凹槽内。

5.如权利要求4所述的力杠杆，其特征在于，还包括：与所述第二弹性体相连的机械铰（24），所述机械铰（24）的弹性体的凹槽方向垂直于所述第二凹槽的方向，所述机械铰（24）的弹性体的中心线与所述第二弹性体的中心线共线。

6.一种杠杆式力标准装置，包括：力杠杆，所述力杠杆的传力件（23）用于设置被校力传感器（25）；设置于所述力杠杆的杠杆本体（21）上的砝码（26）；用于对所述被校力传感器（25）施加反向平衡力的加力装置（28）；其特征在于，

所述力杠杆为如权利要求1-5中任意一项所述的力杠杆；

所述杠杆式力标准装置还包括：与所述砝码（26）相连，驱动所述砝码（26）沿所述杠杆本体（21）的长度方向移动的驱动装置（27）。

7.如权利要求6所述的杠杆式力标准装置，其特征在于，所述驱动装置（27）包括：设置于所述杠杆本体（21）上的丝杠机构，驱动所述丝杠机构的螺杆（29）转动的驱动部件；其中，所述丝杠机构的螺杆（29）的轴线与所述杠杆本体（21）的长度中心线平行，所述砝码（26）与所述丝杠机构的螺母连接。

8.如权利要求7所述的杠杆式力标准装置，其特征在于，所述驱动部件和所述加力装置（28）均包括伺服电机和与所述伺服电机相连的减速机。

9.如权利要求6所述的杠杆式力标准装置，其特征在于，所述杠杆本体（21）的两个侧面设置有供所述砝码（26）移动的轨道，所述轨道关于所述杠杆本体（21）的长度中心线对称。

10.如权利要求6-9中任意一项所述的杠杆式力标准装置，其特征在于，所述砝码（26）的数目为一个或者两个；当所述砝码（26）的数目为两个时，两个所述砝码（26）重叠放置。

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