CN111238722A - 一种静重式力标准机及其力值修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静重式力标准机及其力值修正方法，其中静重式力标准机包括中心吊杆、固定梁、支撑板和转动的固定在固定梁与支撑板之间的丝杠，支撑板通过立柱与底座固定连接，丝杠上套接动横梁，中心吊杆底端穿过支撑板置于底座的上方，中心吊杆的径向设置托盘，中心吊杆上套设砝码，砝码与砝码加卸机构浮动连接，被测传感器安装在中心吊杆和动横梁之间，还包括检测装置，以进行力值修正。本发明所述的静重式力标准机通过检测装置实时检测，对试验结果进行修正，提高静重式力标准机的测量精度和工作效率。

Description

一种静重式力标准机及其力值修正方法

技术领域

本发明涉及一种力标准机，尤其涉及一种静重式力标准机及其力值修正方法。

背景技术

静重式力标准机是以砝码的重力作为标准负荷，通过适当的机构按预定顺序自动平稳地把负荷直接施加到被检测传感器上的力标准机，国际上自从建立力值标准开始，其力值溯源、量值传递一直采用静重式力标准机，砝码既是力源又给出了力值大小，特点是精度高，主要用于力值基准或高精度量传。

然而静重式力标准机在使用过程中，由于砝码的重力因多种因素产生变化，而导致静重机产生测量误差，影响因素主要包括以下方面：

1、温度、湿度、气压的变化导致空气浮力的变化，影响砝码对被检测传感器作用力的变化；

2、承载动横梁水平度的变化导致砝码对被检测传感器的力值产生变化；

3、砝码摆动时产生的向心加速度导致砝码对被检测传感器的力值产生变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静重式力标准机及其力值修正方法，以解决背景技术中提及的技术问题。

为实现上述目的，本发明的一种静重式力标准机及其力值修正方法的具体技术方案如下：

一种静重式力标准机，包括中心吊杆、固定梁、支撑板和转动的固定在固定梁与支撑板之间的丝杠，支撑板通过立柱与底座固定连接，丝杠上套接动横梁，中心吊杆底端穿过支撑板置于底座的上方，中心吊杆的径向设置托盘，中心吊杆上套设砝码，砝码与砝码加卸机构浮动连接，被测传感器安装在中心吊杆和动横梁之间，还包括检测装置，以进行力值修正。

进一步的，所述检测装置包括设置在砝码周围的环境检测传感器，环境检测传感器包括温度传感器、湿度传感器和气压传感器，上述传感器固定在立柱或底座上，环境检测传感器与控制器电连接。

进一步的，所述环境检测传感器包括多组，每组环境检测传感器分布在砝码周边的不同位置，温度值、气压值、湿度值分别以多个对应传感器输出值的平均值参与修正。

进一步的，所述检测装置还包括用于测量动横梁水平度的水平传感器，水平传感器设置在动横梁的边缘，水平传感器与控制器电连接，水平传感器采用二维加速度传感器，二维加速度传感器至少具有X、Y两个方向的信号输出。

进一步的，所述检测装置还包括偏摆传感器，中心吊杆正下方的底座上同轴心线的设置限位块，限位块具有向上开口的限位槽，中心吊杆的底端伸入到限位槽内，偏摆传感器设置在限位槽的侧壁上，偏摆传感器与控制器电连接。

进一步的，所述偏摆传感器包括多个，多个偏摆传感器均匀分布在中心吊杆的外周，偏摆传感器为无接触的位移传感器。

一种静重式力标准机的力值修正方法，主要包括以下步骤：

根据被测传感器的量程选择加载砝码，启动对应的砝码加卸机构将砝码放下，砝码与托盘结合并与砝码加卸机构分离，砝码的重力被加载到被测传感器上；

获取力值修正值；

被测传感器的力值为砝码重力值与力值修正值之间的差值。

进一步的，所述获取力值修正值包括获取空气浮力产生的力值修正值，空气浮力引起的力值修正值由砝码的重力值、温度值、湿度值、空气压力值、饱和水蒸气压力值和砝码密度值确定。

进一步的，所述获取力值修正值还包括获取动横梁水平度产生的力值修正值,动横梁水平度产生的力值修正值由砝码的重力值、动横梁的水平度确定。

进一步的，所述获取力值修正值还包括获取砝码偏摆造成的力值修正值，砝码偏摆造成的力值修正值由砝码的重力值、砝码摆动的水平距离和砝码质心到偏摆传感器支撑点的距离确定。

本发明的一种静重式力标准机及其力值修正方法具有以下优点：

本发明所述的静重式力标准机通过对环境温度、湿度、气压、以及动横梁的水平度、砝码摆动幅度进行实时检测，对试验结果进行实时修正，大大提高静重式力标准机的测量精度和工作效率。

附图说明

图1为本发明的力标准机的结构示意图；

图2为本发明的力值修正方法的流程图。

图中标号说明：1、机架；11、固定梁；12、丝杠；13、支撑板；14、底座；15、立柱；2、动横梁；3、反力架；31、上支座；32、立杆；33、下支座；4、中心吊杆；41、托盘；5、砝码；6、砝码加卸机构；61、托起平台；7、水平传感器；81、温度传感器；82、湿度传感器；83、气压传感器；9、偏摆传感器；10、控制器。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种静重式力标准机及其力值修正方法做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的静重式力标准机，包括刚性机架1，机架1包括固定梁11和支撑板13，支撑板13顶面对称设置两根丝杠12，丝杠12顶端转动的固定在固定梁11上，两根丝杠12之间设有动横梁2，动横梁2与丝杠12通过螺套连接，使得动横梁2沿丝杠12做直线运动，支撑板13底面的四角处分别设置立柱15，立柱15的底端固定在底座14上。

力标准机还包括反力架3，反力架3包括设置在动横梁2上方的上支座31和设置在动横梁2下方的下支座33，上支座31和下支座33之间设置立杆32，动横梁2上设置容纳立杆32的通孔，立杆32穿过上述通孔，立杆32的两端分别固定在上支座31和下支座33上，被测传感器安装在上支座31和动横梁2之间，下支座33底面的中心处与中心吊杆4顶端固定连接，中心吊杆4底端穿过支撑板13置于底座14的上方，中心吊杆4的侧壁上设置多层托盘41，如图1所示，中心吊杆4上从上到下依次设置四层托盘41，中心吊杆4上套设多层砝码5，砝码5与砝码加卸机构6浮动连接，砝码加卸机构6固定在立柱15上，用于控制砝码5的升起和降落。

每层砝码5的两端分别设置砝码加卸机构6，砝码加卸机构6包括用于支撑砝码5的托起平台61和用于驱动托起平台61升降的驱动结构，砝码5与托起平台61浮动连接，驱动结构可为液压、气压或机械结构，如液压伸缩缸等。当托起平台61升起时，托起平台61托起砝码5，使得砝码5和托盘41分离；当托起平台61下降至托盘41下方时，砝码5和托起平台61分离，砝码5降落至托盘41上。

为了精确检测被测传感器的力值大小，消除空气浮力对被测传感器的作用力的影响，力标准机还包括检测装置，检测装置包括设置在砝码5周围的环境检测传感器，环境检测传感器包括温度传感器81、湿度传感器82和气压传感器83，上述传感器固定在立柱15或底座14上，环境检测传感器与控制器10电连接，通过环境检测传感器获取砝码5周围环境的温度、湿度、压强等环境参数值，通过环境温度值查阅饱和水蒸气压力值与空气温度的关系确定饱和水蒸气压力，进而获取空气密度的数值。被测传感器的空气浮力造成的力值修正值ΔF为砝码5的重力值乘以空气密度与砝码5材料密度的比值，即：

ΔF＝mg(ρ_a/ρ_w)

其中，m为砝码5的质量，g为使用地的重力加速度，ρ_a为空气密度，ρ_w为砝码5材料的密度，ρ_w由材料加工时测量得到，因材料而定，视为常数。

空气密度ρ_a由下式确定：

其中，P为空气压力；

为空气相对湿度；T为绝对温度；P_b为饱和水蒸气压力。

由于不同位置的环境参数可能存在差别，环境检测传感器包括多组，每组环境检测传感器分布在砝码5周边的不同位置，如顶部砝码5和底部砝码5的周边，当设置多组环境检测传感器时，温度值、气压值、湿度值分别以多个对应传感器输出值的平均值参与修正。

为了检测动横梁2的水平状态，检测装置还包括用于测量动横梁2水平度的水平传感器7，水平传感器7设置在动横梁2的边缘，水平传感器7与控制器10电连接，水平传感器7采用二维加速度传感器，二维加速度传感器至少具有X、Y两个方向的信号输出，动横梁2水平度引起的力值修正值δFa为：

其中，α为动横梁2的水平度，m为砝码的质量，g为使用地的重力加速度。

为了检测砝码5加载时，中心吊杆4的摆动情况对力值测量产生的影响，检测装置还包括偏摆传感器9，中心吊杆4正下方的底座14上同轴心线的设置限位块，限位块具有向上开口的限位槽，中心吊杆4的底端伸入到限位槽内，限位槽的侧壁上均匀设置多个偏摆传感器9，多个偏摆传感器9分布在中心吊杆4的外周，偏摆传感器9与控制器10电连接，控制器10通过偏摆传感器9获取砝码5摆动的水平距离，进而确定砝码5偏摆对力值测量产生的误差，砝码5偏摆产生的力值修正值δFs为砝码5摆动的水平距离除以砝码5质心到偏摆传感器9支撑点的距离的平方再乘以砝码的重力值，即：

其中，L为砝码5摆动的水平距离，R为砝码5质心到砝码5偏摆传感器9支撑点的距离，R为常数，m为砝码的质量，g为使用地的重力加速度。

偏摆传感器9为无接触的位移传感器。

被测传感器的力值为砝码5重力值与空气浮力引起的力值修正值、动横梁2水平度产生的力值修正值和砝码5偏摆造成的力值修正值之间的差值。

如图2所示，本申请还提供了一种静重式力标准机的力值修正方法，主要包括以下步骤：

根据被测传感器的量程选择加载砝码5，启动对应的砝码加卸机构6将砝码5放下，砝码5与托盘41结合并与砝码加卸机构6分离，砝码5的重力被加载到被测传感器上；

分别获取空气浮力引起的力值修正值、动横梁2水平度产生的力值修正值以及砝码5偏摆造成的力值修正值；

被测传感器的力值为砝码5重力值与空气浮力引起的力值修正值、动横梁2水平度产生的力值修正值和砝码5偏摆造成的力值修正值之间的差值。

实时检测环境检测传感器获取环境的温度值、湿度值及空气压力值，进而得到空气浮力引起的力值修正值，空气浮力引起的力值修正值由砝码5的重力值、温度值、湿度值、空气压力值、饱和水蒸气压力值和砝码5密度值确定。

实时检测水平传感器7获取动横梁2的水平度，进而得到动横梁2水平度产生的力值修正值，动横梁2水平度产生的力值修正值由砝码5的重力值和动横梁2的水平度确定。

实时检测砝码5摆动的水平距离，以获得砝码5偏摆造成的力值修正值，砝码5偏摆造成的力值修正值由砝码5的重力值、砝码5摆动的水平距离和砝码5质心到偏摆传感器9支撑点的距离确定。

该静重式力标准机通过对环境温度、湿度、气压、以及动横梁2的水平度、砝码5摆动幅度进行实时检测，对试验结果进行实时修正，大大提高静重式力标准机的测量精度和工作效率。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种静重式力标准机，包括中心吊杆(4)、固定梁(11)、支撑板(13)和转动的固定在固定梁(11)与支撑板(13)之间的丝杠(12)，支撑板(13)通过立柱(15)与底座(14)固定连接，丝杠(12)上套接动横梁(2)，中心吊杆(4)底端穿过支撑板(13)置于底座(14)的上方，中心吊杆(4)的径向设置托盘(41)，中心吊杆(4)上套设砝码(5)，砝码(5)与砝码加卸机构(6)浮动连接，被测传感器安装在中心吊杆(4)和动横梁(2)之间，其特征在于，还包括检测装置，以进行力值修正。

2.根据权利要求1所述的静重式力标准机，其特征在于，所述检测装置包括设置在砝码(5)周围的环境检测传感器，环境检测传感器包括温度传感器(81)、湿度传感器(82)和气压传感器(83)，上述传感器固定在立柱(15)或底座(14)上，环境检测传感器与控制器(10)电连接。

3.根据权利要求2所述的静重式力标准机，其特征在于，所述环境检测传感器包括多组，每组环境检测传感器分布在砝码(5)周边的不同位置，温度值、气压值、湿度值分别以多个对应传感器输出值的平均值参与修正。

4.根据权利要求2所述的静重式力标准机，其特征在于，所述检测装置还包括用于测量动横梁(2)水平度的水平传感器(7)，水平传感器(7)设置在动横梁(2)的边缘，水平传感器(7)与控制器(10)电连接，水平传感器(7)采用二维加速度传感器，二维加速度传感器至少具有X、Y两个方向的信号输出。

5.根据权利要求4所述的静重式力标准机，其特征在于，所述检测装置还包括偏摆传感器(9)，中心吊杆(4)正下方的底座(14)上同轴心线的设置限位块，限位块具有向上开口的限位槽，中心吊杆(4)的底端伸入到限位槽内，偏摆传感器(9)设置在限位槽的侧壁上，偏摆传感器(9)与控制器(10)电连接。

6.根据权利要求5所述的静重式力标准机，其特征在于，所述偏摆传感器(9)包括多个，多个偏摆传感器(9)均匀分布在中心吊杆(4)的外周，偏摆传感器(9)为无接触的位移传感器。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的静重式力标准机的力值修正方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

根据被测传感器的量程选择加载砝码(5)，启动对应的砝码加卸机构(6)将砝码(5)放下，砝码(5)与托盘(41)结合并与砝码加卸机构(6)分离，砝码(5)的重力被加载到被测传感器上；

获取力值修正值；

被测传感器的力值为砝码(5)重力值与力值修正值之间的差值。

8.根据权利要求7所述的静重式力标准机的力值修正方法，其特征在于，所述获取力值修正值包括获取空气浮力产生的力值修正值，空气浮力引起的力值修正值由砝码(5)的重力值、温度值、湿度值、空气压力值、饱和水蒸气压力值和砝码(5)密度值确定。

9.根据权利要求7所述的静重式力标准机的力值修正方法，其特征在于，所述获取力值修正值还包括获取动横梁(2)水平度产生的力值修正值,动横梁(2)水平度产生的力值修正值由砝码(5)的重力值、动横梁(2)的水平度确定。

10.根据权利要求9所述的静重式力标准机的力值修正方法，其特征在于，所述获取力值修正值还包括获取砝码(5)偏摆造成的力值修正值，砝码(5)偏摆造成的力值修正值由砝码(5)的重力值、砝码(5)摆动的水平距离和砝码(5)质心到偏摆传感器(9)支撑点的距离确定。

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