一种新型叠加式复合型力标准机的研制

韩 剑

(山西省计量科学研究院，山西 太原 030002)

1 研究的目的和意义

力标准机用于产生标准力值，可对测力仪、力传感器(或称重传感器)进行检定/校准，其计量性能符合国家相关计量法规的要求，因具有力值大、体积小、重量轻、占地空间小、操作简便、易于维护保养、价格相对低廉等诸多优点而受到青睐，使用范围越来越广。

叠加式力标准机是一种采用比被检定/校准的测力仪、力传感器(或称重传感器)准确度高的标准力传感器作为标准，与被检定/校准的测力仪、力传感器(或称重传感器)串联，以液压或机械方式加载的力标准机。叠加式力标准机的误差受诸多因素的影响，如机械加工精度(机械结构的传力精度)，力发生器的加载准确度和稳定性，标准力传感器的准确度、重复性、稳定性，标准力传感器二次仪表的精度以及环境影响等。标准力传感器的准确度、重复性、稳定性对整个系统的影响尤为重要，因为叠加式力标准机的力发生器(液压或机械装置)仅仅作为力源，而力值加载大小、力值加载的稳定性由标准力传感器本身及其对力发生器的反馈决定。其它大部分因素，如机械加工精度、力发生器的加载准确度和稳定性、环境影响，可以通过一定方法避免和消除。

与其它力标准机不同，叠加式力标准机不是以砝码重力作为标准负荷，而是以标准力传感器作为标准负荷，需要在更高级别的力标准机上溯源，得出其力学性能来确定力值。这种较强的溯源性导致一旦标准力传感器发生变化，无法及时有效地发现问题。因此，计划研制一种叠加式复合型力标准机，从而解决上述问题。

2 国内外概况

根据前期调研结果来看，目前国内外由于缺乏更高等级的核查标准和高效的核查方法，不能及时对叠加式力标准机进行核查。有个别机构配备了核查标准，但由于涉及力值大，其核查标准的体积也较大，有的更需要通过人力进行拆除、搬运、安装更换，费时费力，且频繁拆除和移动对核查标准稳定性也有影响，因此工作效率和数据的准确性都不能保证。

3 研究内容

研制一种具有可随时进行自我核查功能的叠加式复合型力标准机(如图1所示)：(1)标准传感器组可实现随时核查；(2)标准传感器可实现自动切换；(3)移动工作平台可实现自动定位。

3.1 基本原理

力标准机采用3个量程共3个标准力传感器(高值标准力传感器(7)、中值标准力传感器(8)、低值标准力传感器(9))，考虑到不同标准力传感器由于标定和量程产生的不一致性可能造成相同量程点在不同标准力传感器上的输出不一致，故把高值标准力传感器(7)作为固定标准源，中值标准力传感器(8)和低值标准力传感器(9)可在工作时通过移动平台(5)准确移动到高值标准力传感器(7)上方定位，与其串联。工作时，串联的两个标准力传感器信号经过标准传感器仪表(10)发送到PC(12)上进行显示处理，完成比对核查。

3.2 工作过程

根据被测传感器(3)量程大小，通过移动平台(5)选择所使用的标准力传感器，并使其与标准力传感器串联。PC(12)根据被测传感器(3)的量程范围及检测需求，设定力值检测所需要的测量点及量程上下限，并下达试验开始命令。

图1 示意图

试验开始后，标准力传感器的模拟信号通过标准传感器仪表(10)转化成数字信号，发送给PC(12)进行运算。PC(12)根据运算结果，向伺服控制器发送相关指令，控制伺服电机1(15-1)与伺服油泵1(16-1)，通过换向阀(13)对油缸(6)注入液压油，控制伺服电机2(15-2)与油泵2(16-2)，通过换向阀(13)对油缸(6)进行回油，如此形成一个闭环控制，直到达到设定力值，此时被测传感器(3)因受力发出的模拟信号被被测传感器仪表(11)转化成数字信号，并显示。若有多个点需要检测，则继续下一个点的检测，逐点完成。

4 结束语

叠加式力标准机的核查方式是目前的难点，本文论述了一种叠加式复合型力标准机的设计方案和实现方法。该设计方案和方法不仅充分利用了一个主体框架，在一台叠加式力标准机上实现了需要多台叠加式力标准机才能实现的功能，大大降低了制造成本，节约了场地的占用。更重要的是，可以在平时的工作中随时掌握标准力传感器的情况，降低了核查的成本，极大提高了核查的效率和数据的安全性。