大负荷压电式力标准机

　　0　引言

　　叠加式力标准机是利用力源对串联同轴安装的标准传感器和被检传感器施加负荷,根据配套标准测力仪的标准数来确定被检测力仪的各项计量性能指标的标准测力装置。由于作为承载和测力元件的传感器受到的负荷是弹性力,所以在选用了足够高精度的标准测力仪之后,力源施力装置能够控制作用于传感器上的微量位移能力决定着力标准机的力值计量精度和使用性能[1]。传统的叠加式力标准机均采用机械或液压的传动方式对设备实施加载。载荷在500kN以下的可以采用压电微位移装置实现力值精密跟踪控制。研究1MN以上超大载荷能力的叠加式力标准机的加载与控制问题,提出并采用液压和压电微位移技术相结合的方法,定义采用压电微位移技术的叠置加荷式力标准机为压电式力标准机。

　　1　系统组成和工作原理

　　压电式力标准机的力源施力装置设计成由粗加载和精密加载两个有机部分组成的系统(见图1),分别通过控制较大位移完成施加某级载荷的大部分任务和通过控制微量位移实现力值的精确控制。由于载荷非常大(大于1MN),粗加载系统是采用液压传动方式产生位移对测力系统施加负荷的装置,精密加载则由压电陶瓷力发生装置[3]完成。

　　由图1可见,本压电式力标准机可以分成5个组成部分,即主机、压电陶瓷力发生装置(压电陶瓷微位移装置)、控制器和工作仪表以及数据处理系统。其中主机包括机架(机器的结构主体)、驱动机构(用以实现粗加载的液压传动系统),控制器,工作仪表包括配套标准测力仪(标准传感器和指示仪表)和被检测力仪。

　　压电陶瓷力发生装置是建立在物理学中的逆压电效应[6]原理基础之上的为位移输出装置[3]。作为力值精密调节器,它与标准传感器和被测传感器一起串联安装于测力系统中。当力标准机工作时,在施加粗负荷后,通过特殊研制的控制装置控制施加于压电陶瓷力发生装置上的电场强度,改变它产生的微小变形量,从而达到精密控制调节力值的目的。控制装置运用微型计算机和微电子控制技术,以标准测力仪的输出作为反馈信号,实现对施加负荷和力值稳定调节的闭环自动控制和工作过程自动化。

　　由于压电陶瓷力发生装置可以产生易于控制的非常微小的位移量作用于测力系统中,通过微机自控技术精密跟踪标准力值,实现了精确施加力值和长时间保持稳定不变的目标。同时,由于运用上述先进技术,简化了设备的结构,实现了工作过程自动化,使设备工作精度、效率和可靠性大幅度提高,成本显著降低,操作十分方便。

　　2　主机结构组成问题