游码式标准力源技术及其试验研究

　　1　工作原理与结构实现

　　1.1　基本工作原理

　　设杠杆横梁AB,支点C处左右两侧的质量产生的重力分别为W2、W1,质心的位置距离支点的长度分别为L21、L11,见图1。质量为m的砝码可以沿着杠杆横梁AB移动,设其某时刻的位置距支点距离L1,其重力为F1。杠杆上点B为被施加力的作用点,力大小设为F2。B点距C点距离为L2,略去支点和力点摩擦、横梁变形等影响,根据静力学原理,有

　　可见,当杠杆结构确定后,即m、W2、W1、L21、L11、L2即已确定。质量为m的砝码产生的向下作用力F1经杠杆放大后,作用到测力仪上的力F2与砝码m的位置L1成正比。即可以在不更换砝码m的情况下,通过改变L1的大小实现对被检测力仪施加所需要的载荷级数和大小,从而将对F2大小的控制转换为对位移L1的控制。

　　式(2)求导得:

　　即单位位移L1引起的力值F2的变化与砝码质量成正比,与距离L2成反比。设L1的位移分辨率δL,根据上式因位移分辨率造成的力值误差

　　1.2　结构实现

　　在位移分辨率足够的条件下,这种通过改变砝码位置从而改变力臂比达到施加不同载荷大小的目的的装置,与传统杠杆式力标准机相比,工作原理上唯一的区别就是它的砝码是游动的,而不是固定位置。为实现简化结构、缩小体积、降低成本、提高工作效率的目标,采用单级杠杆系统结构最为简单。而游动的砝码m不应当也不太可能太大,这必然要增大放大比以适应较大力值输出的需要。结构上为减小设备体积,放大比的增大显然不得不缩短短臂尺寸L2,尽管这样会使δFL增大(根据式(4)的结论)。

　　在式(2)中,设F2=0(是杠杆的初始平衡),解得:

　　式中,L10———游码W1的初始平衡位置。可见L1可以是负值,即为使杠杆初始平衡,游码m可以移动到支点C的左侧。这样可以根据杠杆的质量大小布置支点C的位置,使设备结构紧凑,又可以根据被检测力仪的质量不同,通过改变位移L10实现平衡。

　　式(1)描述了杠杆静力平衡条件。根据力学原理,在初始状态时,保证杠杆平衡且稳定的必要条件是杠杆系统的质心必须满足如下条件:质心必须位于过支点的铅垂线上,以支点为界杠杆的左右部分质心连线也应该是水平的,且位于支点的下方,见图2。由于质心位置取决于几何形状,因此杠杆式力标准机和天平均有质心调整机构[6]。对于游码式的装置来说,它可以通过改变游码的位置来改变杠杆的平衡状态,实现对质心位置的调整,可以省去传统装置的质心调整机构。为确保稳定的平衡,杠杆横梁以及游码质心必须位于杠杆水平线下方。如图1。由于重点位置是精确可控的,准确的杠杆比可以通过改变游码的位置来实现,因此力点和支点距离只需要保证确定值,而不需要像传统杠杆机一样必须确保力点、支点、重点三者之间的固定准确关系,省去调整机构和过程。