CN107091726A - 一种提高天平测量不确定度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高天平测量不确定度的装置及方法，目的在于解决现有的二自由度准体轴系校准架中，α（β）的机构中心与天平中心不重合，且施加轴向力滑轮的高度不能调节的问题。其包括可调滑轮组件、第一位移传感器、校准架主体、支杆、天平、加载头、位置调节组件、第二位移传感器，支杆分别与校准架主体、天平相连。本发明通过对结构的全新设计，使得天平轴线与滑轮顶部的高度差就只有两个位移传感器的测量误差，极大提高了天平的测量不确定度。同时，本发明通过竖臂放置在横臂开口槽中的不同位置和使用不同高度的调节块，能满足不同天平校准需求。本发明构思巧妙，设计合理，结构简单，使用方便，具有较高的应用价值和较好的应用前景。

Description

一种提高天平测量不确定度的装置及方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，具体为一种提高天平测量不确定度的装置及方法。将本发明用于二自由度准体轴系天平校准架中，能使天平测量不确定度有较为明显的提高，具有显著的进步意义。

背景技术

目前，二自由度准体轴系校准架是天平校准的主要设备，其一方面主要用于固定、支撑天平及支杆，另一方面在天平校准过程中对天平和支杆的α(β)、γ角位移进行调节，使加载前后天平的轴系保持一致。现有的二自由度准体轴系校准架具有结构简单，操作方便等优点。然后，该类校准架也存在如下缺点：α(β)的机构中心与天平中心不重合；施加轴向力滑轮的高度不能调节。

为此，迫切需要一种装置和/或方法，以提高天平测量不确定度。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的二自由度准体轴系校准架中，α(β)的机构中心与天平中心不重合，且施加轴向力滑轮的高度不能调节的问题，提供一种提高天平测量不确定度的装置及方法。本发明通过对结构的全新设计，使得天平轴线与滑轮顶部的高度差就只有两个位移传感器的测量误差，极大提高了天平的测量不确定度。同时，本发明通过竖臂放置在横臂开口槽中的不同位置和使用不同高度的调节块，能满足不同天平校准，具有适应性强、应用范围广的特点。本发明构思巧妙，设计合理，结构简单，使用方便，具有较高的应用价值和较好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高天平测量不确定度的装置，包括可调滑轮组件、第一位移传感器、校准架主体、支杆、天平、与天平相配合的加载头、位置调节组件、第二位移传感器，所述支杆分别与校准架主体、天平相连；

所述可调滑轮组件包括固定装置、高度调节装置、运动装置、定滑轮、第一安装座，所述高度调节装置与固定装置相连，所述运动装置与高度调节装置相连且高度调节装置能带动运动装置相对固定装置移动实现运动装置沿竖直方向高度的调节，所述定滑轮设置在运动装置上，所述第一位移传感器通过第一安装座与固定装置相连且第一位移传感器能测量运动装置与固定装置的位移；

所述位置调节组件包括与校准架主体相连第二传感器安装座、横杆机构、竖臂，所述第二传感器安装座、横杆机构、竖臂依次相连，所述横杆机构上设置有开口槽，所述竖臂穿过开口槽且竖臂通过开口槽相对横杆机构移动，所述第二位移传感器设置在竖臂上。

所述位置调节组件还包括若干个调节块，所述调节块设置在竖臂上且调节块位于竖臂与横杆机构之间。

所述第一安装座呈L型。

所述横杆机构包括与第二传感器安装座相连的过渡臂、横臂，所述横臂与过渡臂相连，所述开口槽设置在横臂上且竖臂通过开口槽相对横杆机构移动。

所述调节块位于竖臂与横臂之间。

前述装置提高天平测量不确定度的方法，包括如下步骤：

(1)改变第二位移传感器沿竖直方向的距离，并通过竖臂调节第二位移传感器相对横杆机构的位置，使得第二位移传感器调节至天平中心的水平位置；

(2)通过加载头向天平施加载荷，天平和支杆发生弹性变形，通过校准架主体的调节结构，使加载头上的测量平台处于水平位置，此时，天平轴线相对于加载前的天平轴线在竖直方向产生了偏移量，通过第二位移传感器测量出该偏移量K1的大小；

(3)通过第一位移传感器测量出可调滑轮组件上的运动装置和固定装置的相对位移量K2，调节可调滑轮组件的高度调节装置，使第一位移传感器的偏移量K2与第二位移传感器的偏移量K1相等且方向一致，进而使得天平的轴线与可调滑轮组件的定滑轮顶部处于同一水平面，天平轴线与定滑轮顶部的高度差为第一位移传感器与第二位移传感器的测量误差。

所述步骤1中，通过设置不同高度的调节块，调节第二位移传感器沿竖直方向的距离。

所述步骤2中，通过校准架主体的α(α为β)、γ调节结构，使加载头上的测量平台处于水平位置；当天平旋转90°时，通过校准架主体的β、γ调节结构，使加载头上的测量平台处于水平位置。

针对前述问题，本发明提供一种提高天平测量不确定度的装置及方法。该装置包括可调滑轮组件、第一位移传感器、校准架主体、支杆、天平、与天平相配合的加载头、位置调节组件、第二位移传感器，所述支杆分别与校准架主体、天平相连。作为优选，第一安装座呈L型。

将第一位移传感器安装在L型安装座(即第一安装座)上，将L型安装座安装在可调滑轮组件的固定装置上。横臂、过渡臂及第二传感器安装座顺序连接后，固定在校准架主体上，竖臂插入横臂的开口槽中，第二位移传感器固定在竖臂的下端，通过调节块调节第二位移传感器到加载头的垂直距离，同时，竖臂在横臂的槽中前后滑动，调节第二位移传感器到天平中心的水平位置。

当通过加载头对天平施加载荷时，天平和支杆产生弹性变形，通过校准架主体上的α(当天平旋转90°时，α为β)、γ机构调节，使加载头上的测量平台处于水平位置，此时天平轴线与加载前的天平轴线在竖直方向上产生了偏移，用第二位移传感器测量出该偏移量的大小。然后，调节可调滑轮组件上的高度调节装置，并通过第一位移传感器测量出可调滑轮组件上的运动装置和可调滑轮组件上的固定装置的相对位移量，该位移量与第二位移传感器测得偏移量大小相等，方向一致，这样天平的轴线与可调滑轮组件上的滑轮顶部处于同一水平面内，天平轴线与滑轮顶部的高度差就只有两个位移传感器的测量误差，从而提高天平的测量不确定度。

竖臂放置在横臂槽中的不同位置和使用不同高度的调节块可以满足不同天平校准。本发明中，通过在竖臂放置在横臂中的不同位置和使用不同高度的调节块可以满足不同天平校准，具有极强的适应性，有效拓展本发明的应用范围。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明中，横臂、过渡臂及第二传感器安装座顺序连接后，固定在校准架主体上，竖臂插入横臂的开口槽中，第二位移传感器固定在竖臂下端，通过调节块调节第二位移传感器到加载头的垂直距离，竖臂在横臂中前后滑动，能有效调节第二位移传感器到天平中心的水平位置；

(2)本发明通过对结构、方法的改进，使得天平轴线与滑轮顶部的高度差就只有两个位移传感器的测量误差，从而提高了天平的测量不确定度；

(3)本发明通过竖臂放置在横臂开口槽中的不同位置和使用不同高度的调节块，能满足不同天平校准，具有适应性强、应用范围广的特点。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的安装结构示意图。

图2是本发明的可调滑轮组件放大结构示意图。

图3是本发明的天平及位移传感器部分放大结构示意图。

图4是本发明的横臂俯视图。

图中标记：1、可调滑轮组件，2、校准架主体，3、高度调节装置，4、第一安装座，5、第一位移传感器，6、固定装置，7、运动装置，8、第二传感器安装座，9、过渡臂，10、横臂，11、竖臂，12、调节块，13、第二位移传感器，14、加载头，15、天平，16、支杆。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在校准过程中，施加纵向或横向载荷(天平转90°)，天平和支杆产生变形，此时施加载荷的方向与天平体的轴系不一致，通过二自由度准体轴系校准架的调节结构调节角度α(β)，使施加载荷的方向与天平体的轴系保持一致，但由于α(β)调节机构的中心与天平的中心不重合，此时天平轴线偏离其初始位置，该偏移量与天平及支杆的刚度、机构中心与天平中心的距离有关，而轴向力滑轮的高度不能调节，使得轴向力滑轮的顶部与天平体的轴线不在同一水平面上。同时，受房屋空间限制，天平中心到轴向力加载滑轮中心的水平距离不可能是无穷大，从而在施加法向力Y-轴向力X、俯仰力矩M_z-轴向力X、侧向力Z-轴向力X及偏航力矩M_y-轴向力X等交叉载荷时，施加轴向力X载荷将引入对天平轴向力X、法向力Y及侧向力Z的不确定度。

对比例1

下面以在BCL-20000二自由度准体轴系校准架上校准的3N6-47E天平为例，计算由于轴向力滑轮高度不可调引入，对天平各个分量的测量不确定度。

表1 BCL-20000天平校准架最大载荷能力

测量单元	Y/Z(N)	Mz/My(N·m)	X(N)	Mx(N·m)
					校准载荷	20000	1500	3000	1000

表2 3N6-47E天平设计载荷

天平分量	Y(N)	Mz(N·m)	X(N)	Mx(N·m)	Z(N)	My(N·m)
							设计载荷	15000	800	1300	320	2000	400
加载载荷	12000	640	1200	320	1600	320

天平中心到滑轮中心的水平距离L＝7600mm，假定引入的测量不确定度服从均匀分布处理，分布系数取

a.施加法向力Y-轴向力X交叉载荷时，固定法向力Y，施加轴向力X，此时引入对天平轴向力X分量的测量不确定度u_PX1及法向力Y分量的测量不确定度u_PY1。

固定法向力Y＝12000N，天平轴线竖直方向的偏移为ΔL₁＝65mm，轴向力X的加载角为α₁：

式中：F_X--施加的轴向力；

X--轴向力的最大值；

Y--法向力的最大值。

b.施加俯仰力矩M_z-轴向力X交叉载荷时,固定侧向力M_z，施加轴向力X，将引入对天平轴向力X分量的不确定度u_PX2和对天平法向力Y分量的不确定度u_PY2

固定俯仰力矩M_z＝640N·m,天平轴线竖直方向的偏移为ΔL₂＝42mm，轴向力X的加载角为α₂：

式中：符号定义同上。

c.施加侧向力Z-轴向力X交叉载荷时，固定侧向力Z，施加轴向力X，此时将引入对天平轴向力X分量的不确定度u_PX3和对天平侧向力Z分量的不确定度u_PZ1；

固定侧向力Z＝1600N,天平轴线竖直方向的偏移为ΔL₃＝20mm，轴向力X的加载角为β₁：

式中：Z--侧向力的最大值；其余同上。

d.施加偏航力矩M_y-轴向力X交叉载荷时，固定偏航力矩M_y，施加轴向力X，此时引入对天平轴向力X分量的不确定度u_PX4和对天平侧向力Z分量的不确定度u_PZ2。

固定偏航力矩M_y＝320N·m，天平轴线竖直方向上的偏移为ΔL₄＝11mm，轴向力的加载角为β₂：

式中：符号定义同上。

假定上述各分量测量不确定度之间是相互独立不相关的，故得到引入对天平各分量的合成标准不确定度如下：

引入的对天平轴向力X分量的合成标准测量不确定度为：

引入的对天平法向力Y分量的合成标准测量不确定度为：

引入的对天平侧向力Z分量的合成标准不确定度为：

实施例1

如图所示，图1是本发明的安装示意图，图2是本发明的可调滑轮组件放大结构示意图，图3是本发明的天平及位移传感器部分放大结构示意图，图4是本发明的横臂俯视图。

从图中可以看出，该装置包括可调滑轮组件、第一位移传感器、校准架主体、支杆、天平、与天平相配合的加载头、位置调节组件、第二位移传感器，支杆分别与校准架主体、天平相连。

其中，可调滑轮组件包括固定装置、高度调节装置、运动装置、定滑轮、第一安装座，高度调节装置与固定装置相连，运动装置与高度调节装置相连且高度调节装置能带动运动装置相对固定装置移动实现运动装置沿竖直方向高度的调节，定滑轮设置在运动装置上，第一位移传感器通过第一安装座与固定装置相连且第一位移传感器能测量运动装置与固定装置的位移。本实施例中，第一安装座呈L型。

位置调节组件包括与校准架主体相连第二传感器安装座、横杆机构、竖臂，第二传感器安装座、横杆机构、竖臂依次相连，横杆机构上设置有开口槽，竖臂穿过开口槽，第二位移传感器设置在竖臂上。进一步，本实施例中，横杆机构包括与第二传感器安装座相连的过渡臂、横臂，横臂与过渡臂相连，开口槽设置在横臂上且竖臂通过开口槽相对横杆机构移动。

位置调节组件还包括若干个调节块，调节块设置在竖臂上且调节块位于竖臂与横杆机构之间。调节块位于竖臂与横臂之间，本实施例中，通过采用不同位置、不同高度的调节块，即可满足不同天平校准的要求。

该装置的工作过程如下：当通过加载头对天平施加载荷时，天平和支杆产生弹性变形，通过校准架主体上的α(当天平旋转90°时，α为β)、γ机构调节，使加载头上的测量平台处于水平位置，此时天平轴线与加载前的天平轴线在竖直方向上产生了偏移，用第二位移传感器测量出该偏移量的大小，调节可调滑轮组件上的高度调节装置，并通过第一位移传感器测量出可调滑轮组件上的运动装置和可调滑轮组件上的固定装置的相对位移量，该位移量与第二位移传感器测量的偏移量大小相等，方向一致，这样天平的轴线与可调滑轮组件上的滑轮顶部处于同一水平面内，天平轴线与滑轮顶部的高度差就只有两个位移传感器的测量误差，从而提高了天平的测量不确定度。

下面仍以在BCL-20000二自由度准体轴系校准架上校准的3N6-47E天平为例，计算使用本发明后，引入对天平各个分量的测量不确定度。

本发明中使用wenglor高精度激光位移传感器，其测量精度为0.1mm，使用本发明后，天平竖直方向上的最大偏移量误差为传感器测量精度的2倍即ΔL＝0.2mm。以下符号定义同前。

a.施加法向力Y-轴向力X交叉载荷时，固定法向力Y，施加轴向力X，此时引入对天平轴向力X分量的测量不确定度u'_PX1及法向力Y分量的测量不确定度u'_PY1。

固定法向力Y＝12000N，天平轴线竖直方向上的最大偏移量为ΔL'₁＝0.2mm，轴向力X的加载角为α′₁：

b.施加俯仰力矩M_z-轴向力X交叉载荷时，固定法向力M_z，施加轴向力X，将引入对天平轴向力X分量的不确定度u'_PX2和对天平法向力Y分量的不确定度u'_PY2

固定俯仰力矩M_z＝640N·m，天平轴线竖直方向上的偏移量为ΔL'₂＝0.2mm，轴向力X的加载角为α°₂：

c.施加侧向力Z-轴向力X交叉载荷时，固定侧向力Z，施加轴向力X，此时将引入对天平轴向力X分量的不确定度u'_PX3和对天平侧向力Z分量的不确定度u'_PZ1；

固定侧向力Z＝1600N，天平轴线竖直方向上的偏移为ΔL'₃＝0.2mm，轴向力X的加载角为β°₁：

d.施加偏航力矩M_y-轴向力X交叉载荷时，固定偏航力矩M_y，施加轴向力X，此时引入对天平轴向力X分量的不确定度u'_PX4和对天平侧向力Z分量的不确定度u'_PZ2。

固定偏航力矩M_y＝320N·m，天平轴线竖直方向上的偏移量为ΔL'₄＝0.2mm，轴向力X的加载角为β'₂：

假定上述各分量测量不确定度之间相互独立不相关，故使用本发明方法得到的天平各分量的合成标准测量不确定度如下：

引入的对天平轴向力X分量的合成标准测量不确定度为：

引入的对天平法向力Y分量的合成标准测量不确定度为：

引入的对天平侧向力Z分量的合成标准不确定度为：

将公式(28)、(29)、(30)的计算结果分别与使用本发明方法前的公式(13)、(14)(15)的计算结果相比较，可以看出：使用本发明提供的方法使天平测量不确定度有较为明显的提高。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种提高天平测量不确定度的装置，其特征在于，包括可调滑轮组件、第一位移传感器、校准架主体、支杆、天平、与天平相配合的加载头、位置调节组件、第二位移传感器，所述支杆分别与校准架主体、天平相连；

所述可调滑轮组件包括固定装置、高度调节装置、运动装置、定滑轮、第一安装座，所述高度调节装置与固定装置相连，所述运动装置与高度调节装置相连且高度调节装置能带动运动装置相对固定装置移动实现运动装置沿竖直方向高度的调节，所述定滑轮设置在运动装置上，所述第一位移传感器通过第一安装座与固定装置相连且第一位移传感器能测量运动装置与固定装置的位移；

所述位置调节组件包括与校准架主体相连第二传感器安装座、横杆机构、竖臂，所述第二传感器安装座、横杆机构、竖臂依次相连，所述横杆机构上设置有开口槽，所述竖臂穿过开口槽且竖臂通过开口槽相对横杆机构移动，所述第二位移传感器设置在竖臂上。

2.根据权利要求1所述的提高天平测量不确定度的装置，其特征在于，所述位置调节组件还包括若干个调节块，所述调节块设置在竖臂上且调节块位于竖臂与横杆机构之间。

3.根据权利要求1或2所述的提高天平测量不确定度的装置，其特征在于，所述第一安装座呈L型。

4.根据权利要求1-3任一项所述的提高天平测量不确定度的装置，其特征在于，所述横杆机构包括与第二传感器安装座相连的横臂、过渡臂，所述横臂与过渡臂相连，所述开口槽设置在横臂上且竖臂通过开口槽相对横杆机构移动。

5.根据权利要求4所述的提高天平测量不确定度的装置，其特征在于，所述调节块位于竖臂与横臂之间。

6.采用前述权利要求1-5任一项所述装置提高天平测量不确定度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）改变第二位移传感器沿竖直方向的距离，并通过竖臂调节第二位移传感器相对横杆机构的位置，使得第二位移传感器调节至天平中心的水平位置；

（2）通过加载头向天平施加载荷，天平和支杆发生弹性变形，通过校准架主体的调节结构，使加载头上的测量平台处于水平位置，此时，天平轴线相对于加载前的天平轴线在竖直方向产生了偏移量，通过第二位移传感器测量出该偏移量K1的大小；

（3）通过第一位移传感器测量出可调滑轮组件上的运动装置和固定装置的相对位移量K2，调节可调滑轮组件的高度调节装置，使第一位移传感器的偏移量K2与第二位移传感器的偏移量K1相等且方向一致，进而使得天平的轴线与可调滑轮组件的定滑轮顶部处于同一水平面，天平轴线与定滑轮顶部的高度差为第一位移传感器与第二位移传感器的测量误差。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，通过设置不同个数的调节块，调节第二位移传感器沿竖直方向的距离。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，通过校准架主体的α（α为β）、γ调节结构，使加载头上的测量平台处于水平位置；当天平旋转90°时，通过校准架主体的β、γ调节结构，使加载头上的测量平台处于水平位置。