CN109540010A - 一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台 - Google Patents

Abstract

一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，分为测试台架、恒力执行机构和位置反馈机构三部分，利用测试台架对两机构进行固定。恒力执行机构由高精度超高压液相泵推动模拟柱塞沿轴向运动，模拟柱塞与力传感器配合，通过力传感器检测模拟柱塞所受压力，为了保证模拟载荷保持恒定力，设计了微调机构进行调节与控制。位置反馈机构通过光栅传感器，获得模拟柱塞行程实测数值，通过计算提取累积误差，并反馈给液相泵控制系统。

Description

一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台

技术领域

本发明涉及一种累积误差测试平台，属于液相色谱分析领域。

背景技术

液相色谱作为一种简单、快速、有效的分析方法，应用非常广泛，几乎遍及定量定性分析的各个领域，包括生物化学、食品分析、医药研究、环境分析、无机分析等。近十年来，色谱分析工作的需求不断向“更高精度”、“更高压力”、“更快分析”的方向发展，这也不断推动高效液相色谱仪器向具有更高分离度、高分析效率以及高灵敏度的超高效液相色谱仪发展。

高效液相色谱仪(UHPLC)一般由输液系统(高压泵、梯度装置、试剂瓶等)、进样系统、分离系统、检测系统等组成，其核心关键部件-高精度超高压液相泵技术由于流量精度、准确度、压力脉动和系统延迟体积难以达到要求，制约了国内UHPLC的发展。而实现流量的高精度和高准确度要求高精度超高压液相泵具有高精度低脉动的微米运动精度轴系，虽然采用传动链最短的设计原则和符合精度的阿贝原则，但是轴系中存在的丝杠螺距累积误、轴承端面跳动误差和电机传动误差等因素的综合影响，高精度超高压液相泵轴系的输出精度仍难以满足UHPLC精度的要求，需要采取高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试与补偿措施进行消除原理误差。

由于影响高精度超高压液相泵输出精度的主要误差影响因素是丝杠螺距累积误差，传统的丝杠螺距累积误差检测方法中仅实现空载条件下的螺距累积误差检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，可保持恒定力，对高精度超高压液相泵不同模拟载荷下的累积误差进行检测，拟合出不同压力和不同工况下高精度超高压液相泵的累积误差，提取原理误差进行消除，高精度超高压液相泵达到了微米级输出精度，实现了适用于UPHLC流量高准确度和高重复精度指标。

本发明所采用的技术方案是：一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，包括恒力执行机构和位置反馈机构；恒力执行机构包括模拟柱塞、力传感器、微调机构和微调执行机构；模拟柱塞与液相泵外部接口配合，并与力传感器顶面配合孔接触，力传感器通过位移变化感知模拟柱塞所受压力，通过设定不同的位移实现不同的模拟载荷；微调机构保证模拟柱塞沿轴向前进过程中模拟载荷恒定；位置反馈机构包括光栅尺、光栅尺读数头和光栅尺读数头安装板；光栅尺与光栅安装板固定，位于模拟柱塞上方；光栅尺读数头与光栅尺读数头安装板固定，位于光栅尺下方、模拟柱塞上方。

所述微调机构包括传感器支架、微调机构传力轴、弹簧套筒、弹簧前挡圈、微调机构压缩弹簧、弹簧后挡圈、弹簧挡盖、微调机构导向轴、微调支架和微调执行机构；

力传感器安装在传感器支架上，两个传感器支架与微调执行机构的导轨配合，随模拟柱塞沿水平方向运动；微调支架连接固定于微调执行机构运动输出机构上部，并随着运动输出机构的运动而沿轴向运动；微调机构导向轴端部与微调支架固定，并与传感器支架轴孔配合形成滑动副，传感器支架沿微调机构导向轴轴向运动；微调机构压缩弹簧安装在弹簧套筒内，微调机构压缩弹簧两端分别安装弹簧前挡圈、弹簧后挡圈，弹簧挡盖安装在弹簧套筒一端端口；弹簧套筒固定在微调支架上，微调机构传力轴一端通过轴孔配合安装在弹簧套筒另一端。

所述的一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，还包括测试台架，支撑恒力执行机构和位置反馈机构。

所述测试台架包括把手组件、第一墙板、第一前立板、第一顶板、第二墙板、第二前立板、第二顶板、光栅安装板、第三墙板、调整板、底板、水平调节脚、第三前立板和第四前立板；四个把手组件固定于底板上部的四角，用于平台搬运；四个水平调节脚固定于底板下部的四角，用于实现测试台的调平；第一顶板为一角开有长方形缺口的平板，第三墙板为一侧高、另一侧低的支撑板，第一顶板下方通过第一墙板、第一前立板、第三前立板和第四前立板、第三墙板支撑在底板上，第一墙板安装在第一顶板的长边下方，第三前立板和第四前立板并排安装在第一顶板一条短边下方，第一前立板安装在第一顶板开有缺口的短边下方；第三墙板安装在第一顶板开有缺口的长边下方，低的一侧与第一顶板连接；光栅安装板安装在第一顶板上，支撑光栅尺；光栅尺读数头安装板安装在第一顶板上，支撑光栅尺读数头；微调执行机构固定于第一顶板上部；第二顶板为长方形板，位于第一顶板的缺口上方，下方通过支撑第二墙板、第三墙板和两个第二前立板支撑在底板上，第二墙板、第三墙板分别安装在第二顶板长边下方，第三墙板高的一侧与第二顶板连接，两个第二前立板分别安装在第二顶板两短边下方，液相泵安装在第二顶板上；调整板安装在第二顶板一侧，调整板上安装水平调节螺钉调节液相泵的水平位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的高精度超高压液相泵模拟载荷误差累积测试平台采用了恒力执行机构进行模拟载荷的施加，实现了带载工况下丝杠螺距累积误差的检测，提高了高精度超高压液相泵误差检测的精确度，为更好的实现累积误差的补偿奠定了基础。

(2)本发明的模拟载荷施加装置采用了伺服控制方式，配合高精度电动丝杠与位移闭环控制，完成了模拟载荷在工作范围内的精准施加，并通过位移闭环控制，实现了模拟载荷在工作范围内无级可调。本发明涉及的模拟载荷施加装置采用了弹性轴系，通过预紧弹簧增加轴系缓冲环节，监控力传感器压力变化，实时调节预紧弹簧压缩量，同时由于预紧弹簧的增加，减小轴系的力载波动，确保模拟载荷恒力载施加。本发明实现了高精度超高压液相泵不同模拟载荷下累积误差的测量，为高精度超高压液相泵分段反向补偿提供了准确的数据库支撑。

(3)本发明的高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台采用了高精度光学测量装置，设计了符合阿贝原则和最短传动链设计的执行机构，利用反向间隙补偿技术完成了高精度模拟载荷累积误差的检测与补偿，实现了高精度超高压液相泵的高精度输出。具有结构简单、操作方便、测试精度高等优点。

附图说明

图1是高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台示意图；

图2(a)、图2(b)分别是高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试台左视图和右视图；

图3是高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试台正视图。

图4是模拟柱塞设定位移与实际位移函数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，分为测试台架、恒力执行机构和位置反馈机构三部分，通过恒力执行机构和位置反馈机构协调配合实现模拟载荷累积误差的检测，并通过液相泵控制系统进行反向补偿和消除，利用测试台架对两机构进行固定。恒力执行机构由高精度超高压液相泵推动模拟柱塞沿轴向运动，模拟柱塞16与力传感器17配合，通过力传感器17检测模拟柱塞16所受压力，为了保证模拟载荷保持恒定力，设计了微调机构进行调节与控制。位置反馈机构通过光栅传感器，获得模拟柱塞16行程实测数值，通过计算提取累积误差，并反馈给液相泵控制系统。

如图2(a)、图2(b)所示，测试台架包括把手组件1、第一墙板2、第一前立板3、第一顶板4、第二墙板5、第二前立板6、第二顶板7、光栅安装板8、第三墙板9、调整板10、底板11、水平调节脚12、第三前立板13和第四前立板14。四个把手组件9固定于底板11上部的四角，方便高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台搬运。四个水平调节脚12固定于底板11下部的四角，用于实现测试台的调平。第一顶板4为一角开有长方形缺口的平板，第三墙板9为一侧高、另一侧低的支撑板，第一顶板4下方通过第一墙板2、第一前立板3、第三前立板13和第四前立板14、第三墙板9支撑在底板11上，第一墙板2安装在第一顶板4的长边下方，第三前立板13和第四前立板14并排安装在第一顶板4一条短边下方，第一前立板3安装在第一顶板4开有缺口的短边下方；第三墙板9安装在第一顶板4开有缺口的长边下方，低的一侧与第一顶板4连接；光栅安装板8安装在第一顶板4上，支撑光栅尺19；光栅尺读数头安装板22安装在第一顶板4上，支撑光栅尺读数头21；微调执行机构30固定于第一顶板4上部；第二顶板7为长方形板，位于第一顶板4的缺口上方，下方通过支撑第二墙板5、第三墙板9和两个第二前立板6支撑在底板11上，第二墙板5、第三墙板9分别安装在第二顶板7长边下方，第三墙板9高的一侧与第二顶板7连接，两个第二前立板6分别安装在第二顶板7两短边下方，液相泵15安装在第二顶板7上；第二墙板5、第三墙板9和2个前立板I I分别与底板11和第二顶板7通过螺钉连接固定，为高精度超高压液相泵提供安装接口。调整板10与第二顶板7通过螺钉连接固定，通过调整板10所提供的水平调节螺钉调节高精度超高压液相泵水平位置。第一墙板2、第一前立板3、第三前立板13和第四前立板14分别与底板11和第一顶板4通过螺钉连接固定，为恒力执行机构与位置反馈机构提供安装接口。光栅安装板8与第一顶板4通过螺钉连接固定，提供光栅尺安装接口。

如图3所示，恒力执行机构包括模拟柱塞16、力传感器17、微调机构。液相泵15通过螺钉连接第二顶板7固定，模拟柱塞16与液相泵15外部接口配合，并与力传感器17顶面配合孔接触，力传感器17通过位移变化感知模拟柱塞16所受压力，通过设定不同的位移可实现不同的模拟载荷。为了保证模拟柱塞16沿轴向前进过程中模拟载荷恒定，设计了为微调机构。微调机构包括传感器支架18、微调机构传力轴20、弹簧套筒23、弹簧前挡圈24、微调机构压缩弹簧25、弹簧后挡圈26、弹簧挡盖27、微调机构导向轴28、微调支架29和微调执行机构30。微调执行机构30通过螺钉连接固定于第一顶板4上部；力传感器17安装在传感器支架18上，传感器支架18与微调执行机构30导轨配合，可随模拟柱塞16沿水平方向运动；微调支架29通过螺钉连接固定于微调执行机构30运动输出机构上部，并随着输出机构的运动而沿轴向运动；微调机构导向轴28通过螺钉连接与微调支架29固定，与传感器支架18轴孔配合形成滑动副，保证传感器支架18能顺畅沿轴向运动；弹簧套筒23、弹簧前挡圈24、微调机构压缩弹簧25、弹簧后挡圈26和弹簧挡盖27按附图2所示装配，组成组件后通过弹簧套筒23利用螺钉与微调支架29固定，用于实现模拟载荷的施加与局部调整，其中微调机构传力轴20一端通过轴孔配合安装与弹簧套筒23左侧，微调机构传力轴20另一端与力传感器17平面接触，弹簧前挡圈24、微调机构压缩弹簧25和弹簧后挡圈26从左往右依次安装于弹簧套筒23内部，弹簧挡盖27通过螺钉与弹簧套筒23固定。液相泵15为高精度超高压液相泵，液压大于120MPa，流量重复精度小于0.06％。

如图2(a)、图2(b)和图3所示，位置反馈机构包括光栅尺19、光栅尺读数头21和光栅尺读数头安装板22。光栅尺19通过螺钉与光栅安装板8固定，位于模拟柱塞16上方。光栅尺读数头21通过螺钉与光栅尺读数头安装板22固定。光栅尺读数头安装板22与第一顶板4通过螺钉固定。

在初始状态下，模拟柱塞16与力传感器17贴合，不存在力的作用。通过调节微调执行机构30，使得力传感器17向模拟柱塞16移动，给模拟柱塞16施加设定的压力值F1，并通过微调机构微调。然后，通过液相泵15的控制系统，设定模拟柱塞16的行程曲线L1，液相泵15控制模拟柱塞16向力传感器17移动，力传感器17通过微调机构的调节，保证力传感器17检测到的压力为设定的压力值F1。光栅尺19实时监测模拟柱塞16的行程曲线L2，与设定模拟柱塞16的行程曲线L1对比，计算出累积误差函数，如图4所示。

恒力执行机构在初始状态进行模拟载荷的初步调节，确保在初始运行时模拟载荷满足输入要求，并通过伺服控制保证模拟载荷在工作范围内无级调节。为了保证在检测过程中保持模拟载荷恒定输入，对力传感器17进行了实时监测，若不满足模拟载荷所规定的精度要求，恒力执行机构中的微调机构进行局部动态调整与补偿。

位置反馈机构通过光栅传感器和数据采集系统，获得不同模拟载荷下的模拟柱塞16行程实测数值，提取模拟载荷累积误差方程，通过不同模拟载荷分段补偿的方式，对高精度超高压液相泵输出行程进行反向修正，实现高精度超高压液相泵的高精度输出。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，其特征在于，包括恒力执行机构和位置反馈机构；恒力执行机构包括模拟柱塞(16)、力传感器(17)、微调机构和微调执行机构(30)；模拟柱塞(16)与液相泵(15)外部接口配合，并与力传感器(17)顶面配合孔接触，力传感器(17)通过位移变化感知模拟柱塞(16)所受压力，通过设定不同的位移实现不同的模拟载荷；微调机构保证模拟柱塞(16)沿轴向前进过程中模拟载荷恒定；位置反馈机构包括光栅尺(19)、光栅尺读数头(21)和光栅尺读数头安装板(22)；光栅尺(19)与光栅安装板(8)固定，位于模拟柱塞(16)上方；光栅尺读数头(21)与光栅尺读数头安装板(22)固定，位于光栅尺(19)下方、模拟柱塞(16)上方。

2.根据权利要求1所述的一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，其特征在于：所述微调机构包括传感器支架(18)、微调机构传力轴(20)、弹簧套筒(23)、弹簧前挡圈(24)、微调机构压缩弹簧(25)、弹簧后挡圈(26)、弹簧挡盖(27)、微调机构导向轴(28)、微调支架(29)和微调执行机构(30)；

力传感器(17)安装在传感器支架(18)上，两个传感器支架(18)与微调执行机构(30)的导轨配合，随模拟柱塞(16)沿水平方向运动；微调支架(29)连接固定于微调执行机构(30)运动输出机构上部，并随着运动输出机构的运动而沿轴向运动；微调机构导向轴(28)端部与微调支架(29)固定，并与传感器支架(18)轴孔配合形成滑动副，传感器支架(18)沿微调机构导向轴(28)轴向运动；微调机构压缩弹簧(25)安装在弹簧套筒(23)内，微调机构压缩弹簧(25)两端分别安装弹簧前挡圈(24)、弹簧后挡圈(26)，弹簧挡盖(27)安装在弹簧套筒(23)一端端口；弹簧套筒(23)固定在微调支架(29)上，微调机构传力轴(20)一端通过轴孔配合安装在弹簧套筒(23)另一端。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，其特征在于：还包括测试台架，支撑恒力执行机构和位置反馈机构。

4.根据权利要求3所述的一种高精度超高压液相模拟载荷累积误差测试平台，其特征在于：所述测试台架包括把手组件(1)、第一墙板(2)、第一前立板(3)、第一顶板(4)、第二墙板(5)、第二前立板(6)、第二顶板(7)、光栅安装板(8)、第三墙板(9)、调整板(10)、底板(11)、水平调节脚(12)、第三前立板(13)和第四前立板(14)；四个把手组件(9)固定于底板(11)上部的四角，用于平台搬运；四个水平调节脚(12)固定于底板(11)下部的四角，用于实现测试台的调平；第一顶板(4)为一角开有长方形缺口的平板，第三墙板(9)为一侧高、另一侧低的支撑板，第一顶板(4)下方通过第一墙板(2)、第一前立板(3)、第三前立板(13)和第四前立板(14)、第三墙板(9)支撑在底板(11)上，第一墙板(2)安装在第一顶板(4)的长边下方，第三前立板(13)和第四前立板(14)并排安装在第一顶板(4)一条短边下方，第一前立板(3)安装在第一顶板(4)开有缺口的短边下方；第三墙板(9)安装在第一顶板(4)开有缺口的长边下方，低的一侧与第一顶板(4)连接；光栅安装板(8)安装在第一顶板(4)上，支撑光栅尺(19)；光栅尺读数头安装板(22)安装在第一顶板(4)上，支撑光栅尺读数头(21)；微调执行机构(30)固定于第一顶板(4)上部；第二顶板(7)为长方形板，位于第一顶板(4)的缺口上方，下方通过支撑第二墙板(5)、第三墙板(9)和两个第二前立板(6)支撑在底板(11)上，第二墙板(5)、第三墙板(9)分别安装在第二顶板(7)长边下方，第三墙板(9)高的一侧与第二顶板(7)连接，两个第二前立板(6)分别安装在第二顶板(7)两短边下方，液相泵(15)安装在第二顶板(7)上；调整板(10)安装在第二顶板(7)一侧，调整板(10)上安装水平调节螺钉调节液相泵(15)的水平位置。