等臂杠杆式小力值标准装置关键技术研究

　　0 引言

　　力值计量技术的进步，对于小力值的准确计量的要求越来越高。但是以前国内并没有专用的小力值校准装置，相关工作只能通过简单的手动加载砝码完成，这影响了小力值校准的准确程度，不利于小力值传感器和测力仪的准确校准。小力值标准装置的研制需求很迫切。

　　1 主体结构

　　中航工业计量所于十二五期间研制了一套等臂杠杆式小力值标准装置，实现了 100 mN ～20 N 力值范围内的小力值准确校准，能够满足大部分现有的此力值范围内的力传感器及测力仪的计量校准。标准装置如图 1 所示。

　　等臂杠杆式小力值标准装置的主要组成部分包括主体、力臂杠杆、电磁平衡机构、大小砝码及砝码的加载机构、配平机构及反向器等。其中的关键技术包括杠杆平衡系统、专用砝码设计以及配平机构设计等三个方面，以下分别介绍。

　　2 杠杆平衡系统

　　平衡机构的设计改变了传统的机械天平的指针式平衡指示机构，实现了电磁力平衡，并使平衡状态可通过数字信号输出，一方面提高了杠杆的稳定性和分辨力，另一方面也方便自动控制的实现。将电磁技术和电子技术应用于机械天平，使机械天平增添具有负反馈线路的电磁补偿系统和自动测量系统，实现天平的自动称量和自动显示。图 2 给出了具有闭环自动平衡系统的原理示意图。其原理是: 当被称物与标准砝码质量不相等时，产生力矩差，天平横梁向一方倾斜，位移传感器的差动铜片随之摆动，将天平横梁倾斜的角度转换成位移 ( 弧长) 的变化，然后位移传感器将位移信号变成电信号，经位移放大器放大，再经加和放大器放大，负反馈给力矩器以电流，使力矩器产生力矩 ( 即电磁恢复力矩) ，使横梁向反向倾斜。当横梁静止时，形成一个小倾斜角，所产生的电磁力矩与被称物和砝码质量差形成的力矩唯一对应。此时反馈给力矩器的电流与质量差值呈一一对应关系，而电流流经采样电阻 R，便可进行测量或数字显示或自动记录下来。速度变换器将横梁倾斜速度信号变成电信号，再经速度放大器和加和放大器放大后，也负反馈给力矩器以电流，使之产生的力矩 ( 即电磁阻尼力矩) 起到阻尼作用。当横梁静止时，速度变换器输出信号为零。因而反馈给力矩器的电流中不含起阻尼作用的电流，也就不影响被称物质量的测试。

　　通过应用精密电磁平衡技术，整个天平的灵敏度和稳定度均达到一个较为理想的水平。本项目中研制的小力值标准装置所涉及的高准确度电磁天平，其相对误差可优于 1 ×10- 7。通过自动加码装置、机械配衡加码装置以及精密调节机构等设计方法，可获得高准确度的测量结果。