稱重傳感器在現(xiàn)代地磅中是核心器件，對傳感器進行性能試驗的方法 和手段，尤其是試驗設備手段是保證其性能的必要條件。傳統(tǒng)杠桿式力標準機作為一種重要 的試驗設備手段，一直以來，它的工作效率（加載時間）、設備一次性投入（造價）和準確度 等現(xiàn)狀，嚴重影響了使用者的信心。實驗研究表明，應用了新技術和先進技術與理念的新型 杠桿式力標準機，上述三項性能指標與其它任何形式的力標準機相比，具有更好的效果，完 全可以滿足稱重傳感器的負荷特性、蠕變特性、溫濕度特性等性能試驗的需要。

一、前言

以二十世紀六、七十年代我國研制的杠桿式 力標準機為代表的傳統(tǒng)式杠桿式力標準機，迄今 為止仍在計量部門作為力值計量和傳遞的重要手 段之一，在包括稱重傳感器在內的測力儀的研制 生產(chǎn)和使用過程中被廣泛應用作為性能試驗設備。 即使近年新研制生產(chǎn)的杠桿式力標準機也基本上 沒有脫離原有的結構和方法，體現(xiàn)在主機、砝碼 組合與加卸方法、支承方法等方面幾乎沒有改變， 只是使用了微機等電子控制技術，使設備實現(xiàn)了 一定程度的自動化。這些傳統(tǒng)的杠桿式力標準機 由于其力值準確且可信度高，加之高價購人，所 以使用者難以舍棄。但是，它超慢的加載速度和 操作的復雜性使得它無法滿足稱重傳感器生產(chǎn)的 試驗需要，尤其在基于OIML R60的稱重傳感器檢 定規(guī)程?推行以后，這一問題更加突出。而且由于 固有的復雜結構使得機器的造價昂貴，以致需求 者不得不轉向尋求它的替代品——疊加式力標準 機，以低性能換得應對生產(chǎn)業(yè)務的需要。

疊加式力標準機可以簡單理解成單軸靜力試 驗機的一種，近乎就是將試驗機的試樣更換成被 測傳感器，因而使得它的主機造價可以大幅度降低，工作效率也基本上能滿足稱重傳感器的負荷 特性試驗需要。但是它不能做蠕變試驗，也難以 做溫濕度特性試驗。由于是“傳感器檢測傳感 器”，它的力值準確度、可信度以及工作可靠性， 嚴重依賴標準傳感器和儀表，從根本上說，被檢 測的傳感器其精度指標永遠低于標準傳感器。而 標準傳感器和儀表嚴重依賴進口，尤其是傳感器， 絕大部分都是HBM公司的產(chǎn)品。當配置一套完整 的高性能傳感器和儀表以后，疊加式力標準機的 造價也難以降低了。

根據(jù)作者的研究和應用實踐，本文提出新型 杠桿式力標準機的理念，它打破傳統(tǒng)杠桿式力標 準機的束縛，在力值準確度、工作效率、工作可 靠性和價格方面完全可以滿足C級傳感器的試驗 要求，在它所適用的領域中，效果都是疊加式力 標準機所無法企及的。

二、杠桿式力標準機工作原理與稱重傳感器 特性試驗

(一）杠桿式力標準機的工作原理

傳統(tǒng)的杠桿式力標準機，利用第一類杠桿 原理實現(xiàn)對被施加載荷的器件（傳感器或者測力 儀等）加載，工作原理如圖1所示。設杠桿長臂 長度I，短臂長度Z，支點0。圖1中0線是鉛直 線，在零點平衡的前提下，設砝碼的質量為m, 則經(jīng)杠桿放大后，可以產(chǎn)生并通過反向架作用于 被檢測傳感器（或者測力儀）上的作用力F符合 下述關系：

(二）杠桿式力標準機的力值準確度 在當杠桿臂比砝碼質量、重力加速度確

定且準確的情況下，忽略機構支點的摩擦力矩， 則可以獲得很高的力值準確度。資料顯示，采用 了彈性鉸支的杠桿式力標準機的力值準確度等級 可達0.01級。目前根據(jù)作者的實驗，作者研制的 采用刀口支承杠桿式力標準機也可達0.01級。在 我國，力標準機的計量檢定規(guī)程里標示的杠桿式 力標準機的精度等級最高為0.03級。除了作者的 實驗結果以外，國內幾個生產(chǎn)企業(yè)也聲稱可以達 到0.02級的指標?？梢姼軛U式力標準機實現(xiàn)較高 的力值準確度等級是不存在技術難題的。這個精 度等級，對于最常見的C級稱重傳感器的檢測試 驗，符合力值傳遞規(guī)則，滿足使用要求。

杠桿式力標準機的力值是通過杠桿將重力破 碼的重力放大得到的，與具有最高精度等級的靜 重式力標準機相比，力值誤差因素僅僅多了杠桿放 大系統(tǒng)。除非杠桿系統(tǒng)被破壞，因此具有很好的力 值準確度的可信性和保持性。就像沒人懷疑傳統(tǒng)桿 秤的可靠性一樣，其可靠性也是毋庸置疑的。

(三）杠桿式力標準機的初始平衡

顯然，杠桿機工作之前，必須確保杠桿的初 始平衡狀態(tài)，即零點平衡。傳統(tǒng)的零點平衡方法 是，設被檢測測力儀的質量為m,，則需在右側配重 塊安放盤上施加質量塊m2, m2應符合下述關系：

由于被檢測的傳感器質量m,千差萬別，不但 需要若干不同的配重塊，還需要反復調配，因此 要配好噸往往十分困難，花費時間長，對于傳感 器生產(chǎn)商來說是無法忍受的。

(四）杠桿式力標準機的加載

杠桿式力標準機的加載是指施加砝碼，砝碼 的組合與施加有很多種結構形式和方法，但基本 上都是順序施加，即根據(jù)砝碼組合需要，每施加 一級載荷，依次將砝碼放置到砝碼托盤上，通過 吊掛桿和反向架將載荷施加到杠桿橫梁的一端。 再經(jīng)過杠桿放大后，載荷即施加到被檢傳感器上， 砝碼加卸裝置工作原理圖如圖2所示。這種串行 加卸砝碼的方式，由于無法實現(xiàn)任意砝碼組合后 以同樣的時間加卸，因此做不到任意級載荷施加 時間的一致。還由于采用絲杠副驅動砝碼升降， 使得砝碼加卸的速度難以提高，因而造成機器工 作時砝碼加卸所需時間過長，效率太低。通常僅僅砝碼加卸的時間就已經(jīng)超出檢定規(guī)程對加載時 間的要求一倍以上了。

(五）杠桿式力標準機的杠桿橫梁調平 杠桿式力標準機加載工作時，在當上述砝碼 加卸動作完成后，由于系統(tǒng)的彈性變形，使得杠 桿橫梁必然會失去初始平衡狀態(tài)，因此需要對其 調平，即恢復初始平衡狀態(tài)。這一過程通常由主 機上的動橫梁移動來實現(xiàn)?？刂苿訖M梁移動和檢 測平衡狀態(tài)的方法今天已經(jīng)實現(xiàn)自動化[6|m，包括 已經(jīng)和正在以及將要進行技術改造的機器。但是 無論如何它都需要花費時間。

結論：傳統(tǒng)結構形式的杠桿式力標準機，其 力值準確度等級可以滿足稱重傳感器性能試驗的 需要，且有很好的可信度與保持性。但是，由于 杠桿式力標準機的按碼加卸方法、零點調平過程、 杠桿橫梁調平的原因，致使機器的工作效率極其 低下，根本無法滿足檢定規(guī)程對傳感器檢測的要 求。還由于機器需要砝碼及其加卸裝置、杠桿臂 比與砝碼質量準確與調整等原因，致使機器結構 復雜，機器的造價難以降低。

三、新型杠桿式力標準機的原理與性能分析

(一）變臂比杠桿式力標準機

由公式（1)可知，除了通過改變砝碼的質量 m達到改變力值F的目的以外，還可以通過固定 質量m，而采用改變杠桿長臂L的辦法達到改變 力值F的目的。后者可以簡化機器的結構，它既 不需要砝碼組合及其加卸裝置，也不需要精確地 調整杠桿臂比的機構。它將對施加力值的控制轉 變?yōu)閷来a沿橫梁位移的控制，控制簡單容易， 且精度高氣基于這種原理的杠桿式力標準機定義 為變臂比杠桿式力標準機。關于這種機器的力值 準確度，根據(jù)文獻％它可以達到0.01級的水平。 它的效率取決于固定質量砝碼m在杠桿橫梁上的 移動速度和調平控制技術水平，采用阻尼技術可 以提高調平的速度。這種機器的初始平衡可以自動 完成，實現(xiàn)“自然平衡”。因此，高效率工作對于 變臂比杠桿式力標準機而言并不是問題，它完全可 以達到稱重傳感器檢定規(guī)程對力標準機的要求。

由于位移無級可調因而力值無級可調，機器 既可以根據(jù)標定要求實現(xiàn)分級加載，又可以實現(xiàn) 無級加載，還可以實現(xiàn)比任何形式的力標準機都 寬的力值范圍。

(二）雙杠桿式力標準機

變臂比杠桿式力標準機，還可采用雙杠桿結 構，采用第二類杠桿原理實現(xiàn)對傳感器的精確、 快速加載。這種雙杠桿式力標準機其加載、調平 過程及控制與上述變臂比杠桿式力標準機相同。 不同的是它具有零點自然平衡、且對被測傳感器 的安裝位置敏感程度較低。

雙杠桿加載工作系統(tǒng)如圖3所示。以A點為支點，B點為力點的杠桿根據(jù)第二類杠桿原理工 作，杠桿橫梁上有一塊可以沿橫梁長度方向移動 的砝碼，重力為W。以D點為支點，C點為力點 的杠桿根據(jù)第一類杠桿原理工作，杠桿橫梁上有 一塊配重砝碼，重力為W,。兩個杠桿的短力臂長 度均為S，力點B和C之間通過一矩形框架連接， 兩個杠桿的支點和力點構成一長方形ABCD。被施 加載荷的對象置于矩形框架內，其受力中心線與直 線BC重合。設被施加載荷的對象對杠桿系統(tǒng)的作 用力為P (它等于杠桿對其施加的作用力P),杠 桿參數(shù)如圖3所示，根據(jù)靜力平衡原理分析可得：

P=^~'L (3)

其中i為游碼在橫梁上的位移，游碼在初始 點0處，杠桿處于平衡狀態(tài)，片=0，該位置由1? 決定，且由下式：

i。尋 ⑷

可見當杠桿、砝碼的質量、杠桿臂長等確定 以后，對試樣施加的作用力P與比例系數(shù)|成正

比，也即與移動砝碼在橫梁上的位置a)成正 比。杠桿的零點平衡條件L。是個定值，只與平衡 重量和杠桿幾何尺寸有關，與被施加載荷的對象 (例如測力傳感器）無關，因此可以實現(xiàn)自然零點 平衡。

同樣，根據(jù)靜力學原理，假設傳感器安裝在 左右方向偏離理論力值作用線，分析可知，傳感 器受到的軸向作用力大小不變。因此，這種機器 對傳感器的安放位置不敏感。

(三）定比杠桿式力標準機的按碼加卸

如上所述傳統(tǒng)定比杠桿式力標準機，影響其 工作效率的主要原因之一是砝碼加卸。為此可以 采用電動獨立加碼方法類似于一臺靜重式力 標準機。

靜重式力標準機獨立加碼方法，是通過單獨 的驅動機構執(zhí)行每一塊砝碼獨立的加卸動作，可 以使機器上的砝碼任意組合，單獨或者成組地同 時對被檢測力儀施加作用力。由于獨立動作，加 卸砝碼的運動、位移和速度可以實施必要的控制， 從而最大限度滿足各種被檢測力儀或稱重傳感器 不同負荷特性試驗對負荷級數(shù)、加荷速度、加荷方式等的需求。

獨立加碼方式的結構原理圖如圖4所示。由 電動機驅動凸輪機構轉動，帶動托架做升降運動， 托架上放置砝碼。從而當托架升降時，砝碼隨之 升降，實現(xiàn)砝碼往吊掛上的加卸動作。

這種電動獨立加碼方式對于新設計的機器F 然是最適宜的技術辦法，對于現(xiàn)有定比杠桿式力 標準機，可以實施技術改造，運用新技術達到提 高工作效率的效果。一個經(jīng)過實驗驗證的有效和 簡便方法是，將圖2中的砝碼驅動電機改換成伺 服電動機，將傳動機構的減速機更換成效率較高 的傳動機構。通過改變伺服電機的轉速提高砝碼 的升降速度，達到快速加卸的目的；利用伺服電 動機的轉角檢測編碼器檢測和記憶絲杠的升降位 置，實現(xiàn)控制每一塊欲施加砝碼位置的目標。

(四）定比杠桿式力標準機的零點自然平衡實現(xiàn)

利用第一類杠桿原理對試件施加載荷的杠桿 式加載機的零點平衡裝置，其結構組成與傳動原 理圖如圖5所示。電動機軸經(jīng)聯(lián)軸器與絲桿聯(lián)接， 絲桿可帶動配重塊沿導向桿作直線運動。由位移 傳感器測量配重塊的位置和移動距離5。裝置中除 去⑦，在配重塊處于初始零位置時，裝置的質心 過0線。若配重塊的質量設為m3，它對0線的力 矩為：

M!=m3*g-S (5)

假設作用于0線左側有一與反向的已知力 矩M2,則通過改變S的大小可以達到使此=M,，

即力矩平衡的目的。

將圖5所示的裝置，按照0線重合的原則， 固定在杠桿式力標準機的橫梁上。于是，當滿足 下式時杠桿無需配重塊也可以達到零點平衡的目 的：

即：

其中m3為圖1中配重塊的質量。

結論：對于不同的被檢測傳感器質量m,，可 以通過改變配重塊相對于0線的距離S，達到使 杠桿平衡的目的。使用時只要將m,輸人控制計算 機，機器工作時將在施加第一級載荷之前（無需 占用實驗時間的時刻）自動調整距離S，達到自然 平衡的目的。質量m,可以通過普通商用衡器稱 量，稱量造成的誤差完全可以忽略，不會影響 0.01級的力值準確度。

零點自然平衡的原理同樣可以應用到變臂比

杠桿式力標準機上。

四、新型杠桿式力標準機的性能與使用效果

試驗和使用結果表明，新型杠桿式力標準機 的主要技術參數(shù)和指標如下：

（1）規(guī)格：60kN、100kN、200kN、300kN、 500kN和lOOOkN (拉壓雙向）。

（2）工作空間：根據(jù)實際需要設計，可以安裝 高低溫試驗箱。

（3）力值準確度等級：0.01?0.02。

（4）力值施加和穩(wěn)定時間每級可以不大于20s， 蠕變試驗加荷時間不大于15s。

（5）工作過程自動化，包括自動施加載荷，自 動控制和穩(wěn)定值的大小，自動采集和處理數(shù)據(jù)并 打印輸出。除自動工作方式外，還可以用手動和 半自動方式工作。

（6）可以實現(xiàn)檢測項目：負荷傳感器及其他測 力儀的負荷特性，溫度特性；滿足用戶對檢測項 目、數(shù)據(jù)處理方法等的特殊要求。

（7）操作方式：在WINDOWS系統(tǒng)下，采用人 機對話方式，全部試驗工作過程均在微機提示下 完成，設備的工作狀態(tài)用動畫顯示，實驗數(shù)據(jù)、 試驗條件均實時顯示，可以網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。實驗 數(shù)據(jù)的處理格式按照OIML R60-2000的標準執(zhí)行。

（8）設備運行狀態(tài)實時監(jiān)測，自動診斷故障。

新型杠桿式力標準機的幾個實例照片，如圖6所示，實驗數(shù)據(jù)如表1~表3所示，它們分別是利 用變比雙杠桿式、變比單杠桿式和定比杠桿式力 標準機的實驗結果。實驗目的是驗證機器的工作 可靠性、精度重復性。實驗基于這樣的判斷，對 于任意載荷點，重復做多次試驗，如果傳感器每 一次輸出的值是重復的，則對于變比杠桿式力標準機而言移動砝碼的位置是重復的，機器的狀態(tài) 是穩(wěn)定的；對于定比杠桿式力標準機而言，機器 的狀態(tài)也是穩(wěn)定的。

實驗以稱重傳感器為對象，根據(jù)傳感器的檢 定規(guī)程，按等間隔逐級施加載荷，不關心載荷的絕 對準確，只關心傳感器輸出的重復性。在實驗中， 傳感器輸出顯示儀表選用2000標準負荷測量儀。

實驗中，實驗的加載和穩(wěn)定時間可以在30s以 內完成，無需零點調平過程。由表格數(shù)據(jù)和結果 可知，重復性指標均可優(yōu)于0.01%。實際設備的制 造成本核算表明機器的造價明顯低于傳統(tǒng)機器。

實驗結果和實際使用表明，本文所述的杠桿 式力標準機及其新技術是可行、有效和實用的。 技術性能完全可以滿足C級傳感器的實驗需要，且試驗滿足OIML R60的標準要求。經(jīng)濟性能因 為試驗的高效率和一次性投資的低成本而體現(xiàn)。

綜合技術、投資等各方面因素，杠桿式力標 準機特別適合于10t~100t,最大秤量200t規(guī)格的 稱重傳感器檢測試驗需要。

五、結論

(一）在稱重傳感器性能檢測試驗中，杠桿式 力標準機是最適宜的設備之一，它特別適合于 10t~100t規(guī)格的傳感器檢測試驗，可以完全滿足檢 定規(guī)程對傳感器檢測試驗的要求，具有最佳的性 價比。

(二）傳統(tǒng)的觀念中關于杠桿式力標準機效率、 造價以及精度等的看法，在新技術使用后完全可 以徹底打破。采用變臂比、雙杠桿、零點自然平 衡、電動獨立加碼以及自動控制等技術，可以達 到高效、高精度、低價格的目標。

(三）包括雙杠桿式力標準機在內的變臂比杠 桿式力標準機，具有結構簡單、力值準確、效率 高、工作可靠、數(shù)據(jù)可信、操作簡便、造價低廉 等突出優(yōu)點，在10t~100t規(guī)格范圍內是最佳的檢 測C級稱重傳感器的力標準機或者加載裝置。其 總體價格完全低于現(xiàn)有的任何形式的力標準機， 包括疊加式力標準機。力值準確度等級可達0.02?0.01級水平，加載可在20s內完成。

(四）包括對舊式機器改造在內，定比杠桿式力標準機，采用零點自然平衡、砝碼電動獨立加卸、自動調平控制等先進技術，完全可以達到高精度高效率的目標。