一種新型疊加式復合型力標準機的研制

韓 劍

(山西省計量科學研究院，山西 太原 030002)

1 研究的目的和意義

力標準機用于產生標準力值，可對測力儀、力傳感器(或稱重傳感器)進行檢定/校準，其計量性能符合國家相關計量法規的要求，因具有力值大、體積小、重量輕、占地空間小、操作簡便、易于維護保養、價格相對低廉等諸多優點而受到青睞，使用范圍越來越廣。

疊加式力標準機是一種采用比被檢定/校準的測力儀、力傳感器(或稱重傳感器)準確度高的標準力傳感器作為標準，與被檢定/校準的測力儀、力傳感器(或稱重傳感器)串聯，以液壓或機械方式加載的力標準機。疊加式力標準機的誤差受諸多因素的影響，如機械加工精度(機械結構的傳力精度)，力發生器的加載準確度和穩定性，標準力傳感器的準確度、重復性、穩定性，標準力傳感器二次儀表的精度以及環境影響等。標準力傳感器的準確度、重復性、穩定性對整個系統的影響尤為重要，因為疊加式力標準機的力發生器(液壓或機械裝置)僅僅作為力源，而力值加載大小、力值加載的穩定性由標準力傳感器本身及其對力發生器的反饋決定。其它大部分因素，如機械加工精度、力發生器的加載準確度和穩定性、環境影響，可以通過一定方法避免和消除。

與其它力標準機不同，疊加式力標準機不是以砝碼重力作為標準負荷，而是以標準力傳感器作為標準負荷，需要在更高級別的力標準機上溯源，得出其力學性能來確定力值。這種較強的溯源性導致一旦標準力傳感器發生變化，無法及時有效地發現問題。因此，計劃研制一種疊加式復合型力標準機，從而解決上述問題。

2 國內外概況

根據前期調研結果來看，目前國內外由于缺乏更高等級的核查標準和高效的核查方法，不能及時對疊加式力標準機進行核查。有個別機構配備了核查標準，但由于涉及力值大，其核查標準的體積也較大，有的更需要通過人力進行拆除、搬運、安裝更換，費時費力，且頻繁拆除和移動對核查標準穩定性也有影響，因此工作效率和數據的準確性都不能保證。

3 研究內容

研制一種具有可隨時進行自我核查功能的疊加式復合型力標準機(如圖1所示)：(1)標準傳感器組可實現隨時核查；(2)標準傳感器可實現自動切換；(3)移動工作平臺可實現自動定位。

3.1 基本原理

力標準機采用3個量程共3個標準力傳感器(高值標準力傳感器(7)、中值標準力傳感器(8)、低值標準力傳感器(9))，考慮到不同標準力傳感器由于標定和量程產生的不一致性可能造成相同量程點在不同標準力傳感器上的輸出不一致，故把高值標準力傳感器(7)作為固定標準源，中值標準力傳感器(8)和低值標準力傳感器(9)可在工作時通過移動平臺(5)準確移動到高值標準力傳感器(7)上方定位，與其串聯。工作時，串聯的兩個標準力傳感器信號經過標準傳感器儀表(10)發送到PC(12)上進行顯示處理，完成比對核查。

3.2 工作過程

根據被測傳感器(3)量程大小，通過移動平臺(5)選擇所使用的標準力傳感器，并使其與標準力傳感器串聯。PC(12)根據被測傳感器(3)的量程范圍及檢測需求，設定力值檢測所需要的測量點及量程上下限，并下達試驗開始命令。

圖1 示意圖

試驗開始后，標準力傳感器的模擬信號通過標準傳感器儀表(10)轉化成數字信號，發送給PC(12)進行運算。PC(12)根據運算結果，向伺服控制器發送相關指令，控制伺服電機1(15-1)與伺服油泵1(16-1)，通過換向閥(13)對油缸(6)注入液壓油，控制伺服電機2(15-2)與油泵2(16-2)，通過換向閥(13)對油缸(6)進行回油，如此形成一個閉環控制，直到達到設定力值，此時被測傳感器(3)因受力發出的模擬信號被被測傳感器儀表(11)轉化成數字信號，并顯示。若有多個點需要檢測，則繼續下一個點的檢測，逐點完成。

4 結束語

疊加式力標準機的核查方式是目前的難點，本文論述了一種疊加式復合型力標準機的設計方案和實現方法。該設計方案和方法不僅充分利用了一個主體框架，在一臺疊加式力標準機上實現了需要多臺疊加式力標準機才能實現的功能，大大降低了制造成本，節約了場地的占用。更重要的是，可以在平時的工作中隨時掌握標準力傳感器的情況，降低了核查的成本，極大提高了核查的效率和數據的安全性。