称重传感器在现代地磅中是核心器件，对传感器进行性能试验的方法 和手段，尤其是试验设备手段是保证其性能的必要条件。传统杠杆式力标准机作为一种重要 的试验设备手段，一直以来，它的工作效率（加载时间）、设备一次性投入（造价）和准确度 等现状，严重影响了使用者的信心。实验研究表明，应用了新技术和先进技术与理念的新型 杠杆式力标准机，上述三项性能指标与其它任何形式的力标准机相比，具有更好的效果，完 全可以满足称重传感器的负荷特性、蠕变特性、温湿度特性等性能试验的需要。
一、前言
以二十世纪六、七十年代我国研制的杠杆式 力标准机为代表的传统式杠杆式力标准机，迄今 为止仍在计量部门作为力值计量和传递的重要手 段之一，在包括称重传感器在内的测力仪的研制 生产和使用过程中被广泛应用作为性能试验设备。 即使近年新研制生产的杠杆式力标准机也基本上 没有脱离原有的结构和方法，体现在主机、砝码 组合与加卸方法、支承方法等方面几乎没有改变， 只是使用了微机等电子控制技术，使设备实现了 一定程度的自动化。这些传统的杠杆式力标准机 由于其力值准确且可信度高，加之高价购人，所 以使用者难以舍弃。但是，它超慢的加载速度和 操作的复杂性使得它无法满足称重传感器生产的 试验需要，尤其在基于OIML R60的称重传感器检 定规程?推行以后，这一问题更加突出。而且由于 固有的复杂结构使得机器的造价昂贵，以致需求 者不得不转向寻求它的替代品——叠加式力标准 机，以低性能换得应对生产业务的需要。
叠加式力标准机可以简单理解成单轴静力试 验机的一种，近乎就是将试验机的试样更换成被 测传感器，因而使得它的主机造价可以大幅度降低，工作效率也基本上能满足称重传感器的负荷 特性试验需要。但是它不能做蠕变试验，也难以 做温湿度特性试验。由于是“传感器检测传感 器”，它的力值准确度、可信度以及工作可靠性， 严重依赖标准传感器和仪表，从根本上说，被检 测的传感器其精度指标永远低于标准传感器。而 标准传感器和仪表严重依赖进口，尤其是传感器， 绝大部分都是HBM公司的产品。当配置一套完整 的高性能传感器和仪表以后，叠加式力标准机的 造价也难以降低了。
根据作者的研究和应用实践，本文提出新型 杠杆式力标准机的理念，它打破传统杠杆式力标 准机的束缚，在力值准确度、工作效率、工作可 靠性和价格方面完全可以满足C级传感器的试验 要求，在它所适用的领域中，效果都是叠加式力 标准机所无法企及的。
二、杠杆式力标准机工作原理与称重传感器 特性试验
(一）杠杆式力标准机的工作原理
传统的杠杆式力标准机，利用第一类杠杆 原理实现对被施加载荷的器件（传感器或者测力 仪等）加载，工作原理如图1所示。设杠杆长臂 长度I，短臂长度Z，支点0。图1中0线是铅直 线，在零点平衡的前提下，设砝码的质量为m, 则经杠杆放大后，可以产生并通过反向架作用于 被检测传感器（或者测力仪）上的作用力F符合 下述关系：
(二）杠杆式力标准机的力值准确度 在当杠杆臂比砝码质量、重力加速度确
定且准确的情况下，忽略机构支点的摩擦力矩， 则可以获得很高的力值准确度。资料显示，采用 了弹性铰支的杠杆式力标准机的力值准确度等级 可达0.01级。目前根据作者的实验，作者研制的 采用刀口支承杠杆式力标准机也可达0.01级。在 我国，力标准机的计量检定规程里标示的杠杆式 力标准机的精度等级最高为0.03级。除了作者的 实验结果以外，国内几个生产企业也声称可以达 到0.02级的指标。可见杠杆式力标准机实现较高 的力值准确度等级是不存在技术难题的。这个精 度等级，对于最常见的C级称重传感器的检测试 验，符合力值传递规则，满足使用要求。
杠杆式力标准机的力值是通过杠杆将重力破 码的重力放大得到的，与具有最高精度等级的静 重式力标准机相比，力值误差因素仅仅多了杠杆放 大系统。除非杠杆系统被破坏，因此具有很好的力 值准确度的可信性和保持性。就像没人怀疑传统杆 秤的可靠性一样，其可靠性也是毋庸置疑的。
(三）杠杆式力标准机的初始平衡
显然，杠杆机工作之前，必须确保杠杆的初 始平衡状态，即零点平衡。传统的零点平衡方法 是，设被检测测力仪的质量为m,，则需在右侧配重 块安放盘上施加质量块m2, m2应符合下述关系：
由于被检测的传感器质量m,千差万别，不但 需要若干不同的配重块，还需要反复调配，因此 要配好吨往往十分困难，花费时间长，对于传感 器生产商来说是无法忍受的。
(四）杠杆式力标准机的加载
杠杆式力标准机的加载是指施加砝码，砝码 的组合与施加有很多种结构形式和方法，但基本 上都是顺序施加，即根据砝码组合需要，每施加 一级载荷，依次将砝码放置到砝码托盘上，通过 吊挂杆和反向架将载荷施加到杠杆横梁的一端。 再经过杠杆放大后，载荷即施加到被检传感器上， 砝码加卸装置工作原理图如图2所示。这种串行 加卸砝码的方式，由于无法实现任意砝码组合后 以同样的时间加卸，因此做不到任意级载荷施加 时间的一致。还由于采用丝杠副驱动砝码升降， 使得砝码加卸的速度难以提高，因而造成机器工 作时砝码加卸所需时间过长，效率太低。通常仅仅砝码加卸的时间就已经超出检定规程对加载时 间的要求一倍以上了。
(五）杠杆式力标准机的杠杆横梁调平 杠杆式力标准机加载工作时，在当上述砝码 加卸动作完成后，由于系统的弹性变形，使得杠 杆横梁必然会失去初始平衡状态，因此需要对其 调平，即恢复初始平衡状态。这一过程通常由主 机上的动横梁移动来实现。控制动横梁移动和检 测平衡状态的方法今天已经实现自动化[6|m，包括 已经和正在以及将要进行技术改造的机器。但是 无论如何它都需要花费时间。
结论：传统结构形式的杠杆式力标准机，其 力值准确度等级可以满足称重传感器性能试验的 需要，且有很好的可信度与保持性。但是，由于 杠杆式力标准机的按码加卸方法、零点调平过程、 杠杆横梁调平的原因，致使机器的工作效率极其 低下，根本无法满足检定规程对传感器检测的要 求。还由于机器需要砝码及其加卸装置、杠杆臂 比与砝码质量准确与调整等原因，致使机器结构 复杂，机器的造价难以降低。
三、新型杠杆式力标准机的原理与性能分析
(一）变臂比杠杆式力标准机
由公式（1)可知，除了通过改变砝码的质量 m达到改变力值F的目的以外，还可以通过固定 质量m，而采用改变杠杆长臂L的办法达到改变 力值F的目的。后者可以简化机器的结构，它既 不需要砝码组合及其加卸装置，也不需要精确地 调整杠杆臂比的机构。它将对施加力值的控制转 变为对砝码沿横梁位移的控制，控制简单容易， 且精度高气基于这种原理的杠杆式力标准机定义 为变臂比杠杆式力标准机。关于这种机器的力值 准确度，根据文献％它可以达到0.01级的水平。 它的效率取决于固定质量砝码m在杠杆横梁上的 移动速度和调平控制技术水平，采用阻尼技术可 以提高调平的速度。这种机器的初始平衡可以自动 完成，实现“自然平衡”。因此，高效率工作对于 变臂比杠杆式力标准机而言并不是问题，它完全可 以达到称重传感器检定规程对力标准机的要求。
由于位移无级可调因而力值无级可调，机器 既可以根据标定要求实现分级加载，又可以实现 无级加载，还可以实现比任何形式的力标准机都 宽的力值范围。
(二）双杠杆式力标准机
变臂比杠杆式力标准机，还可采用双杠杆结 构，采用第二类杠杆原理实现对传感器的精确、 快速加载。这种双杠杆式力标准机其加载、调平 过程及控制与上述变臂比杠杆式力标准机相同。 不同的是它具有零点自然平衡、且对被测传感器 的安装位置敏感程度较低。
双杠杆加载工作系统如图3所示。以A点为支点，B点为力点的杠杆根据第二类杠杆原理工 作，杠杆横梁上有一块可以沿横梁长度方向移动 的砝码，重力为W。以D点为支点，C点为力点 的杠杆根据第一类杠杆原理工作，杠杆横梁上有 一块配重砝码，重力为W,。两个杠杆的短力臂长 度均为S，力点B和C之间通过一矩形框架连接， 两个杠杆的支点和力点构成一长方形ABCD。被施 加载荷的对象置于矩形框架内，其受力中心线与直 线BC重合。设被施加载荷的对象对杠杆系统的作 用力为P (它等于杠杆对其施加的作用力P),杠 杆参数如图3所示，根据静力平衡原理分析可得：
P=^~'L (3)
其中i为游码在横梁上的位移，游码在初始 点0处，杠杆处于平衡状态，片=0，该位置由1? 决定，且由下式：
i。寻 ⑷
可见当杠杆、砝码的质量、杠杆臂长等确定 以后，对试样施加的作用力P与比例系数|成正
比，也即与移动砝码在横梁上的位置a)成正 比。杠杆的零点平衡条件L。是个定值，只与平衡 重量和杠杆几何尺寸有关，与被施加载荷的对象 (例如测力传感器）无关，因此可以实现自然零点 平衡。
同样，根据静力学原理，假设传感器安装在 左右方向偏离理论力值作用线，分析可知，传感 器受到的轴向作用力大小不变。因此，这种机器 对传感器的安放位置不敏感。
(三）定比杠杆式力标准机的按码加卸
如上所述传统定比杠杆式力标准机，影响其 工作效率的主要原因之一是砝码加卸。为此可以 采用电动独立加码方法类似于一台静重式力 标准机。
静重式力标准机独立加码方法，是通过单独 的驱动机构执行每一块砝码独立的加卸动作，可 以使机器上的砝码任意组合，单独或者成组地同 时对被检测力仪施加作用力。由于独立动作，加 卸砝码的运动、位移和速度可以实施必要的控制， 从而最大限度满足各种被检测力仪或称重传感器 不同负荷特性试验对负荷级数、加荷速度、加荷方式等的需求。
独立加码方式的结构原理图如图4所示。由 电动机驱动凸轮机构转动，带动托架做升降运动， 托架上放置砝码。从而当托架升降时，砝码随之 升降，实现砝码往吊挂上的加卸动作。
这种电动独立加码方式对于新设计的机器F 然是最适宜的技术办法，对于现有定比杠杆式力 标准机，可以实施技术改造，运用新技术达到提 高工作效率的效果。一个经过实验验证的有效和 简便方法是，将图2中的砝码驱动电机改换成伺 服电动机，将传动机构的减速机更换成效率较高 的传动机构。通过改变伺服电机的转速提高砝码 的升降速度，达到快速加卸的目的；利用伺服电 动机的转角检测编码器检测和记忆丝杠的升降位 置，实现控制每一块欲施加砝码位置的目标。
(四）定比杠杆式力标准机的零点自然平衡实现
利用第一类杠杆原理对试件施加载荷的杠杆 式加载机的零点平衡装置，其结构组成与传动原 理图如图5所示。电动机轴经联轴器与丝杆联接， 丝杆可带动配重块沿导向杆作直线运动。由位移 传感器测量配重块的位置和移动距离5。装置中除 去⑦，在配重块处于初始零位置时，装置的质心 过0线。若配重块的质量设为m3，它对0线的力 矩为：
M!=m3*g-S (5)
假设作用于0线左侧有一与反向的已知力 矩M2,则通过改变S的大小可以达到使此=M,，
即力矩平衡的目的。
将图5所示的装置，按照0线重合的原则， 固定在杠杆式力标准机的横梁上。于是，当满足 下式时杠杆无需配重块也可以达到零点平衡的目 的：
即：
其中m3为图1中配重块的质量。
结论：对于不同的被检测传感器质量m,，可 以通过改变配重块相对于0线的距离S，达到使 杠杆平衡的目的。使用时只要将m,输人控制计算 机，机器工作时将在施加第一级载荷之前（无需 占用实验时间的时刻）自动调整距离S，达到自然 平衡的目的。质量m,可以通过普通商用衡器称 量，称量造成的误差完全可以忽略，不会影响 0.01级的力值准确度。
零点自然平衡的原理同样可以应用到变臂比
杠杆式力标准机上。
四、新型杠杆式力标准机的性能与使用效果
试验和使用结果表明，新型杠杆式力标准机 的主要技术参数和指标如下：
（1）规格：60kN、100kN、200kN、300kN、 500kN和lOOOkN (拉压双向）。
（2）工作空间：根据实际需要设计，可以安装 高低温试验箱。
（3）力值准确度等级：0.01?0.02。
（4）力值施加和稳定时间每级可以不大于20s， 蠕变试验加荷时间不大于15s。
（5）工作过程自动化，包括自动施加载荷，自 动控制和稳定值的大小，自动采集和处理数据并 打印输出。除自动工作方式外，还可以用手动和 半自动方式工作。
（6）可以实现检测项目：负荷传感器及其他测 力仪的负荷特性，温度特性；满足用户对检测项 目、数据处理方法等的特殊要求。
（7）操作方式：在WINDOWS系统下，采用人 机对话方式，全部试验工作过程均在微机提示下 完成，设备的工作状态用动画显示，实验数据、 试验条件均实时显示，可以网络传输数据。实验 数据的处理格式按照OIML R60-2000的标准执行。
（8）设备运行状态实时监测，自动诊断故障。
新型杠杆式力标准机的几个实例照片，如图6所示，实验数据如表1~表3所示，它们分别是利 用变比双杠杆式、变比单杠杆式和定比杠杆式力 标准机的实验结果。实验目的是验证机器的工作 可靠性、精度重复性。实验基于这样的判断，对 于任意载荷点，重复做多次试验，如果传感器每 一次输出的值是重复的，则对于变比杠杆式力标准机而言移动砝码的位置是重复的，机器的状态 是稳定的；对于定比杠杆式力标准机而言，机器 的状态也是稳定的。
实验以称重传感器为对象，根据传感器的检 定规程，按等间隔逐级施加载荷，不关心载荷的绝 对准确，只关心传感器输出的重复性。在实验中， 传感器输出显示仪表选用2000标准负荷测量仪。
实验中，实验的加载和稳定时间可以在30s以 内完成，无需零点调平过程。由表格数据和结果 可知，重复性指标均可优于0.01%。实际设备的制 造成本核算表明机器的造价明显低于传统机器。
实验结果和实际使用表明，本文所述的杠杆 式力标准机及其新技术是可行、有效和实用的。 技术性能完全可以满足C级传感器的实验需要，且试验满足OIML R60的标准要求。经济性能因 为试验的高效率和一次性投资的低成本而体现。
综合技术、投资等各方面因素，杠杆式力标 准机特别适合于10t~100t,最大秤量200t规格的 称重传感器检测试验需要。
五、结论
(一）在称重传感器性能检测试验中，杠杆式 力标准机是最适宜的设备之一，它特别适合于 10t~100t规格的传感器检测试验，可以完全满足检 定规程对传感器检测试验的要求，具有最佳的性 价比。
(二）传统的观念中关于杠杆式力标准机效率、 造价以及精度等的看法，在新技术使用后完全可 以彻底打破。采用变臂比、双杠杆、零点自然平 衡、电动独立加码以及自动控制等技术，可以达 到高效、高精度、低价格的目标。
(三）包括双杠杆式力标准机在内的变臂比杠 杆式力标准机，具有结构简单、力值准确、效率 高、工作可靠、数据可信、操作简便、造价低廉 等突出优点，在10t~100t规格范围内是最佳的检 测C级称重传感器的力标准机或者加载装置。其 总体价格完全低于现有的任何形式的力标准机， 包括叠加式力标准机。力值准确度等级可达0.02?0.01级水平，加载可在20s内完成。
(四）包括对旧式机器改造在内，定比杠杆式力标准机，采用零点自然平衡、砝码电动独立加卸、自动调平控制等先进技术，完全可以达到高精度高效率的目标。
