專利名稱：復(fù)合量程傳感器跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)量設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合量程傳感器跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的方法及其測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
質(zhì)量質(zhì)心測(cè)量技術(shù)如懸吊法、天平法、力矩平衡法等到如今已非常成熟，其中力矩平衡法以其精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工便利、操作方便的優(yōu)點(diǎn)得到了較廣泛的應(yīng)用。力矩平衡法是利用稱重式原理的測(cè)量方法，實(shí)際應(yīng)用中采用依據(jù)被測(cè)物的質(zhì)量和幾何尺寸特點(diǎn)而研制的專用的測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。但現(xiàn)有的這些裝置以及方法仍存在有很多的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在1)通用性差一現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)采用的是單量程稱重傳感器，由于稱重傳感器量程限制，一般只能用于質(zhì)量相近物體的測(cè)試，跨量程測(cè)試?yán)щy很大，即在一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，如果不同的被測(cè)物體的質(zhì)量稱量量程有相當(dāng)大的跨度，則采用傳統(tǒng)的傳感器組秤方案要保證每一個(gè)被測(cè)物體的質(zhì)量稱量的當(dāng)量精度就會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)；2)安裝調(diào)試?yán)щy——由于采用的是傳統(tǒng)模擬式稱重結(jié)構(gòu)，傳感器安裝條件對(duì)測(cè)量精度影響極大，空間尺寸的限制也無(wú)法同時(shí)安裝多種不同量程規(guī)格的傳感器，從而造成高精度測(cè)量的調(diào)試要求高、難度大；幻測(cè)量精度難以提高——現(xiàn)有的質(zhì)量測(cè)量裝置多以3級(jí)秤為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高難度很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供一種設(shè)計(jì)方案合理、通用性好、 測(cè)試效率高、可實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行跨量程測(cè)量而不損失測(cè)量精度的復(fù)合量程傳感器跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的方法，同時(shí)提供一種用于實(shí)現(xiàn)該跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心方法的測(cè)量裝置。本發(fā)明提供的復(fù)合量程傳感器跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的方法包括測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的方法和測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的方法，其中測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的方法是利用三點(diǎn)力矩平衡的原理，使被測(cè)物體支承于由三只在Z-Y平面坐標(biāo)系上有確定坐標(biāo)位置Pl (ZUYl)、P2 (Z2、Y2)、P3 (Z3、Y3)的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器支撐的測(cè)量系中，由各傳感器測(cè)得的載荷值之和即為被測(cè)件的重量，根據(jù)力平衡原理可得到方程Σ Mz = 0 Σ My = 0(1)求解方程組(1)，即可得到徑向質(zhì)心相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的幾何位置Y = (Ρ3 襯 3+P2*Y2_Pl*Yl)/GZ = (P1*Z1+P2*Z2_P3 權(quán) 3)/G (2)再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換即可得到質(zhì)心在被測(cè)件坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，⑵式中 Pl = Jzf^W ’ P2 二 ^Jzi2+Y22 P -= S1Z32 4 K32 .測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的方法同樣是利用三點(diǎn)力矩平衡的原理，使被測(cè)物體支承于由三只在X-Y平面坐標(biāo)系上有確定坐標(biāo)位置Pl (XI、Yl)、P2 (X2、Y2)、P3 (X3、Y3)的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器支撐的測(cè)量系中，由各傳感器測(cè)得的載荷值之和即為被測(cè)件的重量，根據(jù)力平衡原理可得到方程Σ Mx = 0 Σ My = 0(3)求解方程組( ，即可得到徑向質(zhì)心相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的幾何位置Y = (P3 襯 3+P2*Y2_Pl*Yl)/GX= (P1*X1+P2*X2-P3*X3)/G (4)再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換即可得到質(zhì)心在被測(cè)件坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，(4)式中pi = ^jri2 +Ff，P2 = 4x22 十 Y22，尸3 = 4x32+Yi1 ο用于實(shí)現(xiàn)上述測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心方法的裝置包括測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的裝置和測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的裝置，其結(jié)構(gòu)分別如下所述。測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的裝置具有三個(gè)對(duì)稱分布在測(cè)量坐標(biāo)系X軸周圍的對(duì)重力垂直分量敏感的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器和一個(gè)坐落在稱重傳感器上的環(huán)狀測(cè)量盤，在測(cè)量盤上固定支撐有一個(gè)被測(cè)件定位盤，在定位盤下部裝有旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸與測(cè)量坐標(biāo)系X軸重合，稱重傳感器通過(guò)信號(hào)集中器與外部測(cè)量電路聯(lián)接。測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的裝置具有三個(gè)對(duì)稱分布在測(cè)量坐標(biāo)系Z軸周圍的對(duì)重力垂直分量敏感的復(fù)合量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器和一個(gè)坐落在稱重傳感器上的矩形測(cè)量架， 在測(cè)量架上設(shè)有用于支撐被測(cè)件的定位支撐架，在測(cè)量架下部裝有傳感器升降機(jī)構(gòu)，傳感器升降機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸與稱重傳感器稱量軸重合，稱重傳感器通過(guò)信號(hào)集中器與外部測(cè)量電路聯(lián)接。在上述測(cè)量裝置中所用的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器具有一個(gè)安裝在底托上的具有質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)的大量程傳感器和一個(gè)級(jí)聯(lián)接設(shè)置在大量程傳感器上的具有質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)的小量程傳感器，在小量程傳感器上端設(shè)有壓蓋，大、小量程傳感器的量程比大于10 1，在小量程傳感器內(nèi)設(shè)置有限力止推保護(hù)機(jī)構(gòu)。實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)被測(cè)件的重力作用于壓蓋后，若壓(推)力小于小量程傳感器的量程范圍，則小量程傳感器以大量程傳感器為基礎(chǔ)，進(jìn)行小力值的測(cè)試；若壓(推)力值大于小量程傳感器的量程范圍，則小量程傳感器在限力止推保護(hù)機(jī)構(gòu)處止推保護(hù)，由大量程傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確工作。這樣測(cè)力稱重傳感器能夠在同一過(guò)程完成變量程測(cè)試(也稱做變量程傳感器)，因此該結(jié)構(gòu)可以保證傳感器在一個(gè)變壓(推)力作用的連續(xù)時(shí)間歷程上準(zhǔn)確測(cè)試壓(推)力值的變化細(xì)節(jié)。另外，在測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的裝置的實(shí)際配置結(jié)構(gòu)中，每個(gè)雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器分別支撐設(shè)置在一個(gè)帶高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的測(cè)量支撐架上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用復(fù)合量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器應(yīng)用于質(zhì)量質(zhì)心測(cè)試系統(tǒng)中，利用三點(diǎn)力矩平衡原理，有效地解決了質(zhì)量質(zhì)心測(cè)量系統(tǒng)的跨量程測(cè)試難題，可以使一臺(tái)設(shè)備覆蓋多個(gè)量程的測(cè)試，做到一個(gè)系統(tǒng)多種用途，節(jié)約了投資，提高了測(cè)試效率和經(jīng)濟(jì)效益。


圖1為測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2的俯向視圖.圖4為徑向/軸向質(zhì)心測(cè)量原理圖。
圖5為復(fù)合量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為復(fù)合量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器測(cè)試系統(tǒng)等效原理圖。圖中各標(biāo)號(hào)名稱分別為1-定位盤，2-測(cè)量盤，3-旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)，4-測(cè)量支撐架， 5-雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器，51-接線盒，52-底托，53-大量程傳感器，54-小量程傳感器，55-壓蓋，6-信號(hào)集中器，7-被測(cè)件，8-傳感器升降機(jī)構(gòu)，9-定位支撐架，10-矩形測(cè)量架。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)附圖1 3，本發(fā)明所述的跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的裝置包括測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的裝置和測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的裝置。測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的裝置由定位盤1、測(cè)量盤2、旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)3、測(cè)量支撐架4、稱重傳感器5、信號(hào)集中器6等構(gòu)件組成。定位盤1用以固定被測(cè)件，同時(shí)將被測(cè)件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系。測(cè)量盤2坐落在稱重傳感器5上，同時(shí)用于固定和支撐定位盤1，其上具有測(cè)量坐標(biāo)系。旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)3用以被測(cè)件7的姿態(tài)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)件7的升降和旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)軸與測(cè)量坐標(biāo)系X重合。測(cè)量支撐架4為稱重傳感器支撐機(jī)構(gòu)，可上下調(diào)整稱重傳感器7的高度，實(shí)現(xiàn)測(cè)量盤2的水平調(diào)整。信號(hào)集中器6和電源接線盒聯(lián)接，用于傳遞稱重傳感器信號(hào)。測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的裝置由稱重傳感器5、信號(hào)集中器6、傳感器升降機(jī)構(gòu)8、定位支撐架9、矩形測(cè)量架10等構(gòu)件組成。傳感器升降機(jī)構(gòu)8用于測(cè)量架的姿態(tài)調(diào)整，可通過(guò)傳感器的升降實(shí)現(xiàn)測(cè)量架的升降。定位支撐架9可以前后調(diào)整，使被測(cè)件7被穩(wěn)定的支撐，固定被測(cè)件7，同時(shí)將被測(cè)件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系，使之坐落在測(cè)量架上。矩形測(cè)量架10 坐落在稱重傳感器5上，用于承載被測(cè)件載荷。本發(fā)明測(cè)量裝置中用到的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和測(cè)試系統(tǒng)等效原理分別如圖5和圖6所示。該稱重傳感器由接線盒51、底托52、大量程傳感器(一級(jí)傳感器)53、小量程傳感器(二級(jí)傳感器)54和壓蓋55組成，采用有較高系統(tǒng)剛度的孔輻式結(jié)構(gòu)，并且兩級(jí)級(jí)聯(lián)，內(nèi)設(shè)對(duì)小量程傳感器的可靠保護(hù)結(jié)構(gòu)，可保證傳感器在變推力測(cè)試中的有效性。在被測(cè)件的壓(推)力作用于壓蓋55后，若壓(推)力值小于小量程傳感器M 的量程范圍，小量程傳感器M即以大量程傳感器53為基礎(chǔ)，進(jìn)行小力值的測(cè)試；若壓(推) 力值大于小量程傳感器M的量程范圍，小量程傳感器在限力止推保護(hù)機(jī)構(gòu)處(圖5中尺寸 B處)止推保護(hù)，使大量程傳感器53進(jìn)行大力值的測(cè)試，可保證傳感器在一個(gè)變推力作用的連續(xù)時(shí)間歷程上準(zhǔn)確測(cè)試推力值的變化細(xì)節(jié)。在圖6所示的稱重傳感器等效原理圖中，雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器和被測(cè)件的壓(推)力作用機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)小(欠)阻尼系統(tǒng)， 即整個(gè)系統(tǒng)等效成圖4所示的質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)。圖6中Hi1表示大量程傳感器的附加質(zhì)量，m2為小量程傳感器附加質(zhì)量和彈體質(zhì)量之和；Cl、C2分別為大小量程傳感器的阻尼系數(shù)，kp k2分別為大小量程傳感器的剛度系數(shù)；F(t)為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力值，兩級(jí)傳感器的位移量分別為Spi^設(shè)計(jì)中考慮到大量程傳感器53始終要作為小量程傳感器M的基礎(chǔ)，因此大量程傳感器53的結(jié)構(gòu)剛度不應(yīng)過(guò)低，故設(shè)計(jì)使大、小量程傳感器的量程比大于10 1，因?yàn)榱砍瘫却笥?0 1，大量程傳感器53至少有10倍的剛度余量作小量程傳感器M的基礎(chǔ)，從而保證小量程傳感器M的靜態(tài)工作邊界條件，同時(shí)，大量程傳感器53的工作頻帶比小量程傳感器M寬10倍。為此將各個(gè)量程的傳感器輸出靈敏度按2mv/v設(shè)計(jì)，大量程為20KN，小量程為1KN，精度保證0. 05級(jí)。使用復(fù)合量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器進(jìn)行質(zhì)量質(zhì)心測(cè)量的方法是利用三點(diǎn)力矩平衡原理。以徑向質(zhì)心測(cè)量舉例(如圖4所示)，將被測(cè)件支承在由三只有確定坐標(biāo)位置 (PUP2.P3)的稱重傳感器支撐的測(cè)量系中，由每只傳感器測(cè)得的載荷值之和即為被測(cè)件的重量，根據(jù)力平衡原理可得到方程(1)，求解即可得到質(zhì)心相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的幾何位置即式O)中的Y、Z的解，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可得到質(zhì)心在被測(cè)件坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。圖4中的 A、B、C、D等點(diǎn)分別是被測(cè)件上幾何量測(cè)量標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量以上各標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的位置，即可得到兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換數(shù)值。在本發(fā)明技術(shù)方案研發(fā)過(guò)程中，為證明復(fù)合量程傳感器跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的測(cè)量效果，設(shè)計(jì)者曾就該測(cè)量方法及測(cè)量裝置進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，結(jié)果如下所述。質(zhì)量稱量量程及精度要求見(jiàn)下表。表1 不同量程的物體及測(cè)量架構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)的精度要求
權(quán)利要求
1. 一種復(fù)合量程傳感器跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的方法，包括測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的方法和測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的方法，其特征在于1.1測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的方法是利用三點(diǎn)力矩平衡的原理，使被測(cè)物體支承于由三只在Z-Y平面坐標(biāo)系上有確定坐標(biāo)位置Pl (ZUYl)、P2 (Z2、Y2)、P3 (Z3、Y3)的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器支撐的測(cè)量系中，由各傳感器測(cè)得的載荷值之和即為被測(cè)件的重量，根據(jù)力平衡原理可得到方程Σ Mz = 0 Σ My = 0(1)求解方程組(1)，即可得到徑向質(zhì)心相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的幾何位置Y= (Ρ3 襯 3+P2*Y2-Pl*Yl)/GZ = (P1*Z1+P2*Z2-P3權(quán)3)/G(2)再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換即可得到質(zhì)心在被測(cè)件坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，(2)式中Pl 二 ^Zl2+ItF ,尸2 = 4Z22+Y22，P3 = Vz^fF ；1.2測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的方法是利用三點(diǎn)力矩平衡的原理，使被測(cè)物體支承于由三只在X-Y平面坐標(biāo)系上有確定坐標(biāo)位置Pl (XI、Yl)、P2 (X2、Y2)、P3 (X3、Y3)的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器支撐的測(cè)量系中，由各傳感器測(cè)得的載荷值之和即為被測(cè)件的重量，根據(jù)力平衡原理可得到方程Σ Mx = 0 Σ My = 0(3)求解方程組( ，即可得到徑向質(zhì)心相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的幾何位置
2.2所說(shuō)的測(cè)量質(zhì)量軸向質(zhì)心的裝置具有三個(gè)對(duì)稱分布在測(cè)量坐標(biāo)系Z軸周圍的對(duì)重力垂直分量敏感的復(fù)合量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器( 和一個(gè)坐落在稱重傳感器(4)上的矩形測(cè)量架(10)，在測(cè)量架(10)上設(shè)有用于支撐被測(cè)件(7)的定位支撐架(9)，在測(cè)量架 (10)下部裝有傳感器升降機(jī)構(gòu)(8)，傳感器升降機(jī)構(gòu)⑶的旋轉(zhuǎn)軸與稱重傳感器(5)稱量軸重合，稱重傳感器( 通過(guò)信號(hào)集中器(6)與外部測(cè)量電路聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的裝置，其特征在于裝置中所用的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器具有一個(gè)安裝在底托(5 上的質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)大量程傳感器 (53)和一個(gè)級(jí)聯(lián)接設(shè)置在大量程傳感器(53)上的質(zhì)量一彈簧一阻尼系統(tǒng)小量程傳感器 (M)，在小量程傳感器(54)上端設(shè)有壓蓋(65)，大、小量程傳感器(53、54)的量程比大于(10 1，在小量程傳感器(54)內(nèi)設(shè)置有限力止推保護(hù)機(jī)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的裝置，其特征是測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心的裝置中的各雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器( 分別支撐設(shè)置在一個(gè)帶高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的測(cè)量支撐架⑷上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合量程傳感器跨量程測(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的方法及其裝置，利用三點(diǎn)力矩平衡的原理，使被測(cè)物體支承于由三只在平面坐標(biāo)系上有確定坐標(biāo)位置的雙量程輪輻式測(cè)力稱重傳感器支撐的測(cè)量系裝置中，由各傳感器測(cè)得的載荷值之和即為被測(cè)件的重量，根據(jù)力平衡原理得到徑向及軸向質(zhì)心相對(duì)于測(cè)量坐標(biāo)系的幾何位置，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換得到質(zhì)心在被測(cè)件坐標(biāo)系上的坐標(biāo)?？缌砍虦y(cè)量質(zhì)量質(zhì)心的裝置分別包括測(cè)量質(zhì)量徑向質(zhì)心和軸向質(zhì)心的裝置，由測(cè)量盤(架)、升降機(jī)構(gòu)、支撐架、稱重傳感器、信號(hào)集中器等構(gòu)件組成，具有通用性好、測(cè)試效率高、可實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行跨量程測(cè)量而不損失測(cè)量精度的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M1/12GK102169040SQ20101055669
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者劉統(tǒng)春, 李宇揚(yáng), 袁玉華, 許晨光 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十四研究所