540kN力基准机砝码摆动的研究

　　0　引言

　　力值是由已知质量的砝码与当地重力加速度的乘积计算的。通过操纵、控制砝码产生力值的机械结构和装置就是静重式测力机。静重式测力机产生的力值精度非常高并具有较高的复现性。

　　当静重式测力机的力值不确定度优于2×时,在国家计量院间进行的静重式测力机的国际比对中,最大的相对偏差不超过±5×。偏差的产生与测力机本身结构、使用的传递标准、测量程序及测力机的附加力值分量等综合因素有关。在力值复现和力基准机的国际比对中还有多少其它因素造成了测量不确定度仍不能十分确定。砝码摆动就是这些因素中有代表性的一个。

　　由三台相同的力传感器并联组成的叠加系统为大力值测量提供了有效的方法。其测量范围是系统中一台力传感器测量范围的三倍。在一些国家的计量院中,叠加系统已被用做大力值基准[1-3]。

　　当一个叠加系统放到一台静重式测力机上时,该系统中力传感器输出信号中的振荡分量主要与砝码的摆动有关。采用叠加系统对静重式测力机砝码的摆动进行研究可能是一种有效的方法,这是因为力传感器振荡信号分量可以反映出测力机的动态特性。在以前的文章中[4-6],我们曾讨论过韩国标准和科学研究院(Korea Research Institute of Standardsand Science)静重式测力机砝码摆动的问题。

　　本文对日本国家计量研究院540kN静重式力基准机的动态特性做了详细的分析,给出了其砝码摆动的轨迹图。文中提出了一种基于模型的方法,该方法采用叠加系统的力值信号来推测砝码摆动的轨迹图。本文还对由砝码摆动引起的相对不确定度进行了评估。除此之外,文中还介绍了一些信号处理方法,这些方法用于估计椭圆运动的方向、长轴和短轴半径以及旋转方向随时间变化的规律。这些估计量为我们提供了关于静重式测力机砝码摆动的有用信息。

　　1　试验装置

　　测量测力机动态特性的试验装置由叠加系统和信号处理系统组成。叠加系统中力传感器的输出信号由HBM公司的信号放大器MGCplus进行放大和采样。全部信号以50Hz的采样频率同时进行采样并通过LAN接口传入个人计算机。每台力传感器的输出信号采集16384个数据,即总的数据长度是327·68秒,FFT(快速傅里叶变换)的频率分辨率是3·05mHz。图1给出了叠加系统和信号处理系统的框图。

　　2　砝码摆动分析

　　在图1所示的静重式测力机叠加系统中,载荷由测力机上压板通过球头传递到力传感器上。假定三台力传感器相同,定位准确,并且如果上压板平面的方向与垂直轴方向一致,则各台力传感器的输出信号一定是相同的。然而,一般说来上压板是有一定倾斜的,这就使得叠加系统上力的作用点产生了一个偏移量。作用于球头和叠加系统中部压垫上的力如图2所示,F是从测力机传递过来的力,分别是力传感器A、B、C产生的反作用力,下标X、Y、Z分别代表力值沿x、y、z方向的分量。图中,(ξ,η)是载荷中心点的位置。通过对图2的分析,并假定测力机不对叠加系统产生力矩,z轴上的力平衡方程式及x轴、y轴上的矩平衡方程式如下: