虞跃凌 康张宜 胡潇寅 / 上海市计量测试技术研究院

一种新型叠加式力标准机

虞跃凌 康张宜 胡潇寅 / 上海市计量测试技术研究院

在新建500 kN叠加式力标准机时，对于叠加式力标准机的机械结构提出了新的设计，拓展了力标准机的测量范围，实现了全自动检测，从而大大提高力标准机的工作效率。

叠加式力标准机；测量范围；自动化检测系统

0 引言

在新建500 kN叠加式力标准机（以下简称叠加机）时，利用新研发的多量程比对式加载机构技术，对于叠加式力标准机的机械结构提出了新的设计，拓展了力标准机的测量范围，同时利用新研发的变形量自动补偿装置技术实现了全自动检测，从而大大提高力标准机的工作效率。

1 工作原理

叠加式力标准机作为国家的基标准设备，是用一个 (或组)比被检定的测力仪准确度高的标准测力仪作为标准，与被检测力仪串联，以液压或机械方式施加负荷的力标准机。是一种高准确度等级的力值计量标准装置，在量值传递溯源系统中发挥着及其重要的作用。叠加式力标准机的工作原理如图1所示。

图1 叠加式力标准机工作原理

工作时，力发生器（液压油缸系统或机械加卸载系统）对标准传感器和被检传感器加载，由于两者受力串联，标准传感器和被检传感器同时承受同一载荷。载荷大小由标准传感器的输出来确定，当输出达到用高一级传感器（或测力机）标定的定度值时，所施加的载荷为一标准力值，传感器输出信号分别由标准表和检测仪表发送给计算机，稳定该力值，记录下被检传感器的输出。逐级加载和卸载，完成对被检传感器的检测。

2 传统叠加式力标准机在进行检定校准工作时存在的问题

根据原理和结构形式的不同，力标准机可分为静重式、杠杆式、液压式和叠加式四种类型。随着力传感器技术的发展和近年来控制技术的日趋成熟，叠加机得到越来越广泛的应用。虽然该机具有结构形式简单、造价相对低廉、能够连续加卸载等优点，但是任然存在一些问题。

2.1 叠加机的测量范围较小，适用性较低

力标准机是通过标准力值砝码复现力值，其测量下限可达到测量上限的1%，如100 kN杠杆式力标准机的测量范围为1～100 kN，6 000 N静重式力标准机的测量范围为10～6 000 N。叠加机与之相比有着本质的区别，是通过高准确度等级的参考力传感器来复现力值。目前，叠加机的参考力传感器基本都采用德国HBM公司的TOP-Z系列或德国GTM公司的KTN-D系列产品，其测量范围出厂指标只有20%～100%。经中国计量院检定和长期稳定性考核后，一般可以将测量下限拓展至10%。因此叠加机的测量范围至多为10%～100%，如一台500 kN叠加机只能开展测量范围为50～500 kN的500 kN测力仪的检定校准工作，而无法开展测量范围为40～400 kN的400 kN测力仪、测量范围为45～450 kN的450 kN测力仪等其他规格测力仪的检定校准工作。同时，根据最新的JJG 1116—2015《叠加式力标准机》检定规程要求，“每级加荷时间小于30 s”，即使使用多台叠加机对一台被检测力仪进行检定，显然无法在30 s这么短的时间内，完成从一台设备到另外一台设备上的转换，无法满足检定规程要求，因此每开展一种规格标准测力仪的检定校准，就必须配备一套相应测量范围的叠加机，不仅大大增加了设备成本和实验室使用面积，同时也大大降低了叠加机的适用性。

2.2 影响叠加机准确度等级的因素较多，自动化程度不高

影响叠加机力值准确度的因素主要有参考力传感器、力值波动性等因素。参考力传感器复现力值的显著特点是存在时间效应、方位效应和进回程差别。这造成了叠加机存在不同的工况，对叠加机的准确度带来影响，限制了叠加机的应用场合。时间效应包括长期稳定度和蠕变。在实际工作中，为了尽量消除传递标准蠕变带来的影响，负荷加到后等待读数的时间往往较长，这对于叠加机正常开展工作是不现实的。为此，一方面叠加机应选择长期稳定度和蠕变性能较好的参考力传感器；另一方面加载过程、加载和读数时间应尽量保持一致，若不一致则需要考察影响量的大小。

叠加机的力值波动性。如0.03级的叠加式力标准机的力值波动性要求是0.01%，即万分之一。 如果叠加机主测参考传感器的灵敏度为2 mV/V，标准测力仪读数达到小数点后面第五位，即20万个显示值。在满量程时，30 s时间内，则波动的数字有20个左右（波动性合格）。计量检定员通过人工记录，读数时往往是瞪大了眼睛，捕捉一个波动峰值，捕捉一个波动谷值，然后取平均值，实际上是一个估计值，人为误差较大。

3 新型专利技术拓展叠加机测量范围

在新建500 kN叠加式力标准机时，对于叠加式力标准机的机械结构提出了新的设计，拓展了叠加机的测量范围。

该叠加机的设计测量范围为10～500 kN，按照传统设计方法，就是分别建立100 kN和500 kN两台叠加机，根据上文所述，只能开展10～100 kN和50～500 kN两个测量范围的标准测力仪的检定校准工作，无法实现如15～150 kN、20～200 kN、25～250 kN等其他规格标准测力仪的检定校准，只是简单的建立了两台叠加机，显然无法满足设计要求。

利用新研发的多量程比对式加载机构技术，对于叠加式力标准机的机械结构提出了新的设计，当进行小量程检测时，驱动机构使得小传感器在向上移动给连接托盘施加一加载力用于测量小量程，此时大传感器不工作；当进行大量程检测时，驱动机构使得大传感器向上移动给连接托盘施加一加载力用于测量大量程，小传感器从连接托盘自动脱离，避免小传感器损坏。相较于现有技术，既可测量大量程，也可测量小量程，操作方便，而且小传感器保证小量程测试的稳定性，提高测试的准确度。实现了在整个测量范围内能够进行任意点检测，自动切换，连续测量，从而大大提高叠加机的适用范围，提高了叠加机的工作效率。

在检测过程中，当被检仪器为100 kN或500 kN时，无需切换，直接使用相对应的标准测力仪进行检测即可，当被检仪器为200 kN或300 kN等其他规格时，在检测过程中需对两台标准测力仪进行自动切换，具体如表1所示。

表1 检测数据

任何物体在外力作用下会发生形状或体积改变，当外力停止作用后，物体有恢复原状的趋势，这就是弹性形变。当叠加机的加载机构加载到标准测量点后停止动作，加载机构势必发生弹性形变，力值就会发生变化，如何确保标准力值能够稳定地加载到被检仪器上，并且在规程允许的力值波动范围内自动对力值进行快速补偿，就成为重中之重的技术关键。经过反复试验，利用新研发的变形量自动补偿装置技术，对于控制系统进行优化设计，实现自动补偿检测过程中产生的微小位移变化，确保可以在预定时间内进行读数，顺利完成检测工作。

4 叠加机的自动化检定系统设计

根据设计要求，无需人为干预，实现全自动检测。工作前，把标准传感器的标定值输入计算机作为设定值。工作开始后，加载系统启动，标准传感器和被检传感器同时受力，传感器输出信号分别由标准表和检测仪表发送给计算机，计算机计算标准传感器输出信号（加载值）与设定值的差值，并根据一套算法计算控制脉冲的频率及电机的转动方向，然后通过控制板向脉冲自动跟踪系统发出该频率的脉冲，进而控制电机的转速与方向。计算机计算标准传感器的加载值与设定值的差值。当差值大时，电机转动速度快，差值小时电机转速慢。差值为正，电机正转；差值为负，电机反转。加载值接近设定值时，电机转速变得很慢，使加载值缓慢逼近并达到设定值。当加载值超过设定值，电机反转，加载值回到设定值，电机始终处于运转状态，保证加载值稳定于设定值。此时所施加的力值为一标准力值，计算机采集并记录被检传感器的输出值。如此，逐点完成检测。

同时，可以按照JJG 699—2003《称重传感器》检定规程、JJG 144—2007《标准测力仪》检定规程、JJG 391—2009《力传感器》检定规程、GB/T 7551—2008《称重传感器》等要求，通过计算机进行高速数据采集、处理、保存、打印等实现全自动化检测，并配有自动故障判断停机系统及人为紧急停止装置。真正实现全自动检测。

5 结语

该叠加机于2017年初通过了中国计量科学研究院的验收，主要技术指标如重复性、示值误差、方位转角误差等都优于0.01%，大大超过了0.03%的设计要求，检定过程全自动控制，实现工作效率的最大化。

[1]全国力值硬度计量技术委员会.JJG 1116- 2015叠加式力标准机检定规程[S].北京：中国质检出版社，2015.

[2]全国力值硬度计量技术委员会.JJG 144- 2007 标准测力仪检定规程[S].北京：中国计量出版社，2007.

[3]张伟、张智敏.JJG 1116-2015《叠加式力标准机检定规程》解读[J].中国计量，2016（2）：127-129.

[4]封苏伟.自动化控制系统设计实例手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5]李江全，郑瑶.计算机典型测控与串口通信开发软件应用实践[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[6]龚顺镒.工业控制自动化实用技术手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

A new Build-up force standard machine

Yu Yueling，Kang Zhangyi，Hu Xiaoyin
（Shanghai Institute of Measurement and Test Technology）

When we are going to build a new BM(build-up force standard machine) of 500 kN, We improve the working principle and have a new mechanical structure design, expand the measuring range, fully automatic detection, greatly improve work ef fi ciency.

Build-up standard machine; measuring range; automatic detection