力与力矩杠杆和力与扭矩标准装置

摘要

本发明提供了一种力与力矩杠杆和力与扭矩标准装置。该力与力矩杠杆包括：装有支撑件的杠杆本体，支撑件的中心线与杠杆本体的长度中心的铅垂线共线；与杠杆本体相连的传力件，传力件位于杠杆本体的端部与支撑件之间，且传力件的中心线与支撑件的中心线平行；与杠杆本体相连的扭矩轴，扭矩轴的轴线与杠杆本体的水平中心线共线，且扭矩轴的轴线垂直于支撑件的中心线。本发明提供的力与力矩杠杆，既能传递作用力也能传递作用力矩，同时，无需力反向架就能实现对被校力传感器施加拉向力和压向力，无需借助在杠杆两端设置两组砝码就能实现对被校扭矩传感器施加正向扭矩和反向扭矩，降低了校准成本。

说明书

技术领域

本发明涉及力标准装置和扭矩标准装置技术领域，更具体地说，涉及一 种力与力矩杠杆和力与扭矩标准装置。

背景技术

力标准装置，是产生标准力值及用于检定或校准力传感器和标准测力仪 的标准装置。根据其力产生原理分为四类：静重式力标准装置、杠杆式力标 准装置、液压式力标准装置和叠加式力标准装置。其中，杠杆式力标准装置， 是利用杠杆静力平衡原理，借助砝码和相应的加载机构，通过杠杆重力臂与 力臂形成的杠杆放大比将砝码重力放大，在有空气的重力场中产生力值。

目前，杠杆式力标准装置采用的力杠杆为单重力臂力杠杆。如图1所示， 单重力臂力杠杆主要包括：装有支撑件13的杠杆本体12，设置于杠杆本体 12一端的传力件（传力件与杠杆本体12的连接点为力点，即B点）。其中， 支撑件13位于杠杆本体12的一端与传力件之间的位置，杠杆本体12能够绕 支撑件13的支撑点（支点，即A点）转动；传力件距支撑件13的距离L₁（力 臂长度）小于支撑件13距杠杆本体12另一端的距离L₂（重力臂长度），传 力件与杠杆本体12的长度中心线垂直设置，且传力件与支撑件13的中心线 平行。单重力臂力杠杆的使用方法是：将砝码11设置在杠杆本体12重力臂 末端（重力点，即C点）的连接件（重点刀）下方的砝码机架中的工作台上， 将被校力传感器14设置在传力件（力点刀）下方的力反向架15中；先将砝 码11通过C点的连接件（重点刀）施加到杠杆本体12的重力臂上，然后通 过力反向架15对被校力传感器14（单重力臂力杠杆的力点，即B点）施加 反向平衡力（即拉向力）。

对于上述单重力臂力杠杆，根据静力平衡原理可知，砝码11的重力经杠 杆重力臂与力臂形成的杠杆放大比放大产生作用力，即对被校力传感器14施 加的作用力为拉向力，作用力F=W﹡L₂/L₁，其中，W为砝码11产生的重力； L₁为固定力臂，L₂为固定重力臂，L₂/L₁为固定杠杆放大比，且L₂>L₁。为了 使被校力传感器14获得压向力，需要在杠杆本体12一端的传力件（力点刀） 下方设置力反向架15，将被校力传感器14放置在力反向架15内，通过力反 向架15来实现对被校力传感器14施加压向力。

扭矩标准装置，是产生标准扭矩值及用于检定或校准扭矩传感器和标准 扭矩仪的标准装置。根据其扭矩产生原理分为：杠杆式扭矩标准装置和静重 式扭矩标准装置。

目前，杠杆式扭矩标准装置一般为单力臂力矩杠杆、产生单向扭矩值的 标准装置；静重式扭矩标准装置采用的力矩杠杆为双力臂力矩杠杆。如图2 所示，双力臂力矩杠杆包括：装有支撑件23的杠杆本体22，支撑件23的中 心线与杠杆本体22的长度中心的铅垂线共线；设置于杠杆本体22上的扭矩 轴24。其中，支撑件23位于杠杆本体22的长度中心位置，扭矩轴24的轴线 与杠杆本体的水平中心线共线，即扭矩轴24分别垂直于杠杆本体22的长度 中心线和支撑件23的轴线。支撑件23与杠杆本体22的连接点为支点，记支 点为A点，扭矩轴24与杠杆本体22的连接点为力矩点，记力矩点为B点， 杠杆本体22的两端分别记为C端和D端，支撑件23右侧的力臂记为L₃，支 撑件23左侧的力臂记为L₄，砝码21的重力记为W。

双力臂力矩杠杆的使用方法为，将两组砝码21分别设置在杠杆本体22 的C端和D端，将被校扭矩传感器安装在扭矩轴24上。记C端砝码21产生 的力矩为正向力矩，产生的正向扭矩为M₍₊₎=W﹡L₃，D端砝码21产生的力 矩为反向力矩，产生的反向扭矩为M_(-)=W﹡L₄。通过杠杆支点两边的固定力 臂L₃或L₄将砝码21的重力W传递到力矩点B的扭矩轴24，从而将力矩施 加到与扭矩轴24同轴连接的被校扭矩传感器上。要改变作用力矩的方向，需 要利用在杠杆两边固定力臂端分别安装的用于施加正、反向力矩的砝码加载 装置来实现；要改变作用力矩的大小，同样需要利用在两边固定力臂分别安 装的由多个砝码21组成的加载装置来实现。一般情况，10个砝码21可组成 10个不同大小的扭矩（级），要获得更多的扭矩（级）则需要更多的砝码21 来组合。

但是，目前没有既能传递作用力也能传递作用力矩的双功能杠杆，也没 有既能校准力传感器还能校准扭矩传感器的标准装置。

综上所述，如何使杠杆既能传递作用力也能传递作用力矩，以降低校准 成本，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种力与力矩杠杆，既能传递作用力也能传递作用 力矩，以降低校准成本。本发明的另一目的是提供一种具有上述力与力矩杠 杆的力与扭矩标准装置。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种力与力矩杠杆，包括：

装有支撑件的杠杆本体，所述支撑件的中心线与所述杠杆本体的长度中 心的铅垂线共线；

与所述杠杆本体相连的传力件，所述传力件位于所述杠杆本体的端部与 所述支撑件之间，且所述传力件的中心线与所述支撑件的中心线平行；

与所述杠杆本体相连的扭矩轴，所述扭矩轴的轴线与所述杠杆本体的水 平中心线共线，且所述扭矩轴的轴线垂直于所述支撑件的中心线。

优选的，上述力与力矩杠杆中，所述支撑件为第一应变铰，所述第一应 变铰包括：第一弹性体，和设置于所述第一弹性体的主变形区内的第一电阻 应变计电桥；其中，所述第一弹性体的中心线与所述杠杆本体的长度中心的 铅垂线共线。

优选的，上述力与力矩杠杆中，所述第一弹性体呈长方体状，且所述第 一弹性体具有两个与其主变形区中心线对称的第一凹槽，两个所述第一凹槽 分别位于所述第一弹性体两侧，所述第一凹槽为圆弧凹槽；所述第一电阻应 变计电桥设置于所述第一凹槽内。

优选的，上述力与力矩杠杆中，所述传力件为第二应变铰，所述第二应 变铰包括：其中心线与所述支撑件中心线平行的第二弹性体，设置于所述第 二弹性体的主变形区内的第二电阻应变计电桥；其中，所述第二弹性体呈长 方体状，且所述第二弹性体具有与其主变形区中心线对称的两个第二凹槽， 两个所述第二凹槽分别位于所述第二弹性体两侧，所述第二凹槽为圆弧凹槽， 所述第二电阻应变计电桥设置于所述第二凹槽内。

优选的，上述力与力矩杠杆，还包括：与所述第二弹性体相连的机械铰， 所述机械铰的弹性体两侧的凹槽方向垂直于所述第二凹槽的方向，所述机械 铰的弹性体的中心线与所述第二弹性体的中心线共线。

基于上述提供的力与力矩杠杆，本发明还提供了一种力与扭矩标准装置， 该力与扭矩标准装置，包括：

上述任意一项所述的力与力矩杠杆，所述力与力矩杠杆的传力件用于设 置被校力传感器，所述力与力矩杠杆的扭矩轴用于设置被校扭矩传感器；

设置于所述力与力矩杠杆的杠杆本体上的砝码；

与所述砝码相连且驱动所述砝码沿所述杠杆本体的长度方向移动的驱动 装置；

用于对所述被校力传感器施加平衡力的第一加力装置；

用于对所述被校扭矩传感器施加平衡力矩的第二加力装置。

优选的，上述力与扭矩标准装置中，所述驱动装置包括：设置于所述杠 杆本体上的丝杠机构，驱动所述丝杠机构的螺杆转动的驱动部件；其中，所 述丝杠机构的螺杆的轴线与所述杠杆本体的长度中心线平行，所述砝码与所 述丝杠机构的螺母连接。

优选的，上述力与扭矩标准装置中，所述驱动装置的驱动部件、所述第 一加力装置和所述第二加力装置均包括伺服电机和与所述伺服电机相连的减 速机；所述伺服电机为带有光电编码器的伺服电机；所述第一加力装置、第 二加力装置与所述驱动装置共用一个微机伺服控制系统。

优选的，上述力与扭矩标准装置中，所述杠杆本体的两个侧面设置有供 所述砝码移动的轨道，所述轨道关于所述杠杆本体的长度中心线对称。

优选的，上述力与扭矩标准装置中，所述砝码的数目为一个或者两个； 当所述砝码的数目为两个时，两个所述砝码重叠放置。

本发明提供的力与力矩杠杆的使用方法为：

将砝码放置在杠杆本体正上方，将被校力传感器连接在传力件上（扭矩 轴不连接被校扭矩传感器），当砝码位于杠杆本体的支点且砝码中心线与支 撑件的中心线重合时，传力件未受到作用力；当砝码移动至支撑件一侧（如 左侧），且传力件与被校力传感器连接时，传力件受到向上作用力，即为拉 向力；当砝码移动至支撑件的另一侧（如右侧），传力件受到向下作用力， 即为压向力。

将被校扭矩传感器连接在扭矩轴上（传力件不连接被校力传感器）。当 砝码位于支撑件正上方且砝码中心线与支撑件的中心线重合时，被校扭矩传 感器不受力矩的作用；当砝码移动至支撑件右侧时，扭矩轴和被校扭矩传感 器受到正向力矩的作用，当砝码移动至支撑件的左侧时，扭矩轴和被校扭矩 传感器受到反向力矩的作用。

本发明提供的力与力矩杠杆，支撑件的中心线与杠杆本体的长度中心的 铅垂线共线，扭矩轴的轴线与杠杆本体的水平中心线共线，且扭矩轴的轴线 垂直于支撑件的中心线，同时将传力件设置在杠杆本体的端部与支撑件之间， 则该力与力矩杠杆既能传递作用力也能传递作用力矩，只需一个力与力矩杠 杆即可，无需准备一个力杠杆和一个力矩杠杆，从而降低了校准成本。

同时，本发明提供的力与力矩杠杆中，支撑件的中心线与杠杆本体的长 度中心的铅垂线共线，则将支撑件设置在杠杆本体的整个长度中心位置，使 支撑件两边的杠杆长度形成两个方向重力臂，并将传力件设置在杠杆本体的 端部和支撑件之间，使支撑件与传力件之间形成一个固定力臂；当该力臂长 度远小于重力臂长度时，即可获得所需的杠杆放大比；利用固定质量的砝码 在杠杆本体的两个重力臂上移动，通过改变砝码在两个重力臂上的相对位置， 改变传力件受到的作用力方向，以实现对传力件施加拉向力和压向力，或者 改变扭矩轴受到的作用力矩方向，以实现对扭矩轴施加正向力矩和反向力矩； 还可以通过改变砝码在任一重力臂上距杠杆支点的距离，来改变传力件受到 的作用力大小；无需再设置力反向架就能够达到改变作用力方向和作用力大 小的目的；同样，也可以通过改变砝码在任一重力臂上距杠杆支点的距离， 来改变扭矩轴受到的作用力矩大小；无需借助在杠杆两端设置两组砝码和两 组砝码加载装置就能够达到改变作用力矩方向和作用力矩大小的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本技术领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的单重力臂力杠杆的原理图；

图2为现有技术提供的双力臂力矩杠杆的原理图；

图3为本发明实施例提供的力与力矩杠杆的原理图；

图4为图3的侧视图；

图5为本发明实施例提供的力与力矩杠杆中第一应变铰的结构示意图；

图6为图5的侧视图；

图7为本发明实施例提供的力与扭矩标准装置的结构示意图；

图8为图7的侧视图。

上图1-8中：

11为砝码、12为杠杆本体、13为支撑件、14为被校力传感器、15为力 反向架、21为砝码、22为杠杆本体、23为支撑件、24为扭矩轴、31为杠杆 本体、32为扭矩轴、33为第一应变铰、3301为第一弹性体、3302为第一凹 槽、3303第一电阻应变计电桥、3304为电桥激励输入端、3305为电桥电压输 出端、34为传力件、35为机械铰、36为被校力传感器、37为砝码、38为被 校扭矩传感器、39为螺杆、310为驱动装置、311为第一加力装置、312为第 二加力装置。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，现在将本专利中涉及到的技术名词解释如下：

杠杆重力臂（重力臂）：在杠杆上，用于承载砝码质量的、距杠杆支点 较长的臂长部分（长臂）。

杠杆力臂（力臂）：在杠杆上，用于经传力件对被校力传感器施加作用 力的、距杠杆支点较短的臂长部分（短臂）。

杠杆支点（支点）：在杠杆上，安装杠杆支撑结构（支撑件）支撑杠杆 和砝码质量并承载杠杆力臂作用力的结点。

杠杆力作用点（力点）：在杠杆上，安装传递作用力结构（传力件）传 递杠杆力臂作用力的结点。

杠杆力矩作用点（力矩点）：在杠杆上，安装传递作用力矩结构（扭矩 轴）传递杠杆力臂作用力矩的结点。

输出灵敏度（灵敏度）：应变铰在额定负荷作用下产生的输出。该输出 的单位为电阻应变计电桥的电压比率mV/V或μV/V；应变铰的输出灵敏度可 根据所需额定负荷设计为±1000μV/V～±2000μV/V。

分辨力：应变铰输出灵敏度的最小分度值。应变铰的输出灵敏度经应变 测量放大器放大，可达到±1000.001μV/V～±2000.001μV/V的分辨力。

灵敏限：杠杆力臂（力点）在无负荷或受负荷作用且杠杆处于平衡状态 时，对杠杆力臂端的力点施加微小质量砝码，使应变铰输出产生可分辨的最 小变化单位。灵敏限是用于检验杠杆支点“刀-刀承”组件（或其它支撑件） 对力变化的敏感程度的指标。

力级：为砝码重力与杠杆放大比的乘积产生的标准力值，由砝码在杠杆 重力臂上的位置决定的可测量细分的力值级差（例如，杠杆支点两边的放大 比为100︰1，可分为以1为单位的100个等间隔的力级）。

扭矩级：为砝码重力与力臂的乘积产生的标准扭矩值，由砝码在杠杆力 臂上的位置决定的可测量细分的扭矩值级差（例如，杠杆两边力臂长度为 1000mm，可分为以10mm为单位的100个等间隔的扭矩级）。

本发明实施例提供了一种力与力矩杠杆，既能传递作用力也能传递作用 力矩，进而降低了校准成本。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没 有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范 围。

本发明实施例提供的力与力矩杠杆，包括：装有支撑件的杠杆本体31， 支撑件的中心线与杠杆本体31的长度中心的铅垂线共线；与杠杆本体31相 连的传力件34，传力件34位于杠杆本体31的端部与支撑件之间，且传力件 34的中心线与支撑件的中心线平行；与杠杆本体31相连的扭矩轴32，扭矩 轴32的轴线与杠杆本体31的水平中心线共线，且扭矩轴32的轴线垂直于支 撑件的中心线。

需要说明的是，杠杆本体31的长度中心的铅垂线，是指杠杆本体31处 于使用状态时位于杠杆本体31的长度中心线的中点的铅垂线，该铅垂线是杠 杆本体31的铅垂线。杠杆本体31的水平中心线，是指杠杆本体31处于使用 状态时位于水平面内的中心线，该中心线是杠杆本体31的中心线，杠杆本体 31的水平中心线与杠杆本体31的长度中心线（沿杠杆本体31长度方向延伸 的中心线）垂直。支撑件的中心线，是指支撑件处于使用状态时，沿竖直方 向延伸的中心线。传力件34的中心线，是指传力件34处于使用状态时，沿 竖直方向延伸的中心线。传力件34和支撑件位于杠杆本体31的同侧，且传 力件34位于支撑件一侧，扭矩轴32垂直于支撑件，传力件34仅传递杠杆水 平方向的静力，扭矩轴32仅传递杠杆水平方向的静力矩。

本发明实施例提供的力与力矩杠杆，将支撑件设置在杠杆本体31的整个 长度中心位置，支撑件的中心线与杠杆本体31的长度中心的铅垂线共线，扭 矩轴32的轴线与杠杆本体31的水平中心线共线，且扭矩轴32的轴线垂直于 支撑件的中心线，同时将传力件34设置在杠杆本体31的端部与支撑件之间， 则该力与力矩杠杆既能传递作用力也能传递作用力矩，只需一个力与力矩杠 杆即可，无需准备一个力杠杆和一个力矩杠杆，从而降低了校准成本。

同时，本发明实施例提供的力与力矩杠杆中，支撑件的中心线与杠杆本 体31的长度中心的铅垂线共线，则将支撑件设置在杠杆本体31的整个长度 中心位置，使支撑件两边的杠杆长度形成两个方向重力臂，并将传力件34设 置在杠杆本体31的端部和支撑件之间，使支撑件与传力件34之间形成一个 固定力臂；当该力臂长度远小于重力臂长度时，即可获得所需的杠杆放大比； 利用固定质量的砝码37在杠杆本体31的两个重力臂上移动，通过改变砝码 37在两个重力臂上的相对位置，改变传力件34受到的作用力方向，以实现对 传力件34施加拉向力和压向力，或者改变扭矩轴32受到的作用力矩方向， 以实现对扭矩轴32施加正向扭矩和反向扭矩；还可以通过改变砝码37在任 一重力臂上距支点（杠杆支点）的距离，来改变传力件34受到的作用力大小； 无需再设置力反向架就能够达到改变作用力方向和作用力大小的目的；同样， 也可以通过改变砝码37在任一重力臂上距支点的距离，来改变扭矩轴32受 到的作用力矩大小；无需借助在杠杆两端设置两组砝码37和两组砝码的加载 装置就能够达到改变作用力矩方向和作用力矩大小的目的。

需要说明的是，支撑件的中心线与杠杆本体31的长度中心的铅垂线共线， 则支撑件设置于杠杆本体31整个长度中心位置，以支撑件为中心将杠杆本体 31划分为两段，且两段长度和质量均相等，使得该力与力矩杠杆具有两个重 力臂。根据力学术语，支撑件与杠杆本体31的连接点为支点；传力件34距 支点的距离为力臂，传力件34与杠杆本体31的连接点为力点；支点两边为 重力臂，砝码37距支点的距离为重力臂长度，扭矩轴32与杠杆本体31的连 接点为力矩点；为了便于描述，将支点记为A，将力点记为B，将砝码37产 生的重力记为W，将传力件34和被校力传感器36所受的作用力记为F，将 力臂A-B长度记为L₁，支点A的左侧重力臂A-D长度记为L₂，支点A的右 侧重力臂A-C长度记为L₃，扭矩轴32和被校扭矩传感器38所受的作用力矩 记为M，如图3所示。由于砝码37的质量较小，则产生的重力较小，被校力 传感器36和被校扭矩传感器38所需的作用力较大，故要求L₂>>L₁，L₃>>L₁。

上述力与力矩杠杆中，当砝码37位于支点A时L₂=L₃=0，传力件34未 受到作用力，即被校力传感器36受到的作用力为F=0；扭矩轴32未受到力矩 作用，即被校扭矩传感器38受到的扭矩为M=0；当砝码37移动至支点A的 左侧使L₂≥L₁时，传力件34受到向上作用力为拉向力F_t，即F_t=W﹡L₂/L₁， 扭矩轴32受到的作用力矩为反向扭矩M_(-)，即M_(-)=W﹡L₂。当砝码37位于 支点A的右侧使L₃≥L₁时，传力件34受到向下作用力为压向力F_c，即F_c=W ﹡L₃/L₁，扭矩轴32受到的作用力矩为正向扭矩M₍₊₎，即M₍₊₎=W﹡L₃。

本发明实施例提供的力与力矩杠杆的使用方法为：

需要校准力传感器时，扭矩轴32与被校扭矩传感器38不连接，将被校 力传感器36设置在连接传力件34的机械铰35上，将砝码37放置在杠杆本 体31上，当砝码37位于支撑件正上方（砝码37中心线与支撑件中心线重合， 即支点A）时，被校力传感器36受到的作用力为零，即F=0；当砝码37移动 至支点A的左侧（A-D侧），且机械铰35与被校力传感器36连接时，被校 力传感器36受到拉向力作用，产生的拉向力为F_t=W﹡L₂/L₁；当砝码37移动 至支点A的右侧（A-C侧，即力点B一侧），且机械铰35与被校力传感器 36不连接时，被校力传感器36受到压向力作用，产生的压向力为F_c=W﹡ L₃/L₁。

需要校准扭矩传感器时，机械铰35与被校力传感器36不连接。将被校 扭矩传感器38一端与扭矩轴32连接，另一端与第二加力装置312的柔性轴 连接，将砝码37放置在杠杆本体31上，当砝码37位于支撑件正上方（砝码 37中心线与支撑件中心线重合，即支点A）时，被校扭矩传感器38受到的作 用力矩为零，即M=0；当砝码37移动至支点A的右侧（A-C侧），被校扭矩 传感器38受到正向力矩的作用，产生的正向扭矩为M₍₊₎=W﹡L₃；当砝码37 移动至支点A的左侧（A-D侧），被校扭矩传感器38受到反向力矩的作用， 产生的反向扭矩为M_(-)=W﹡L₂。

本发明实施例提供的力与力矩杠杆，将支撑件设置于杠杆本体31长度中 心位置，即支点A，使支点两边的杠杆长度形成两个方向重力臂L₂和L₃；将 传力件34设置在杠杆本体31的端部和支撑件之间，即力点B，使支点A与 力点B之间形成一个固定力臂L₁，该力臂的长度L₁与支点A两边重力臂的 长度L₂和L₃形成两个方向的杠杆放大比（拉向放大比L_t=L₂/L₁和压向放大比 L_c=L₃/L₁）；当在杠杆本体31上设置砝码37时，可通过改变砝码37在L₂和 L₃两个重力臂上的相对位置，来改变力点B传力件34受到的作用力的方向， 以获得拉向力F_t和压向力F_c；同样，可通过改变砝码37在L₂和L₃两个力臂 上的相对位置，来改变扭矩轴32受到的作用力矩的方向，以获得正向扭矩 M₍₊₎和反向扭矩为M_(-)。

为了进一步优化上述技术方案，上述实施例提供的力与力矩杠杆中，支 撑件为第一应变铰33，该第一应变铰33包括：第一弹性体3301，和设置于 第一弹性体3301的主变形区内的第一电阻应变计电桥3303；其中，第一弹性 体3301的中心线与杠杆本体31的长度中心的铅垂线共线。

需要说明的，第一弹性体3301的主变形区内的电阻应变计电桥3303为 采用金属电阻应变计作为敏感栅，用应变粘接剂固定在经加工时效处理后的 弹性体上，组成电阻应变计电桥。第一应变铰33是一种通过对第一弹性体3301 施加机械载荷使其产生正向纯弯曲变形或反向纯弯曲变形，输出为正向电压 比率（μV/V）或反向电压比率（μV/V）的应变式传感器。该第一应变铰33 具有电桥激励输入端3304和电桥电压输出端3305。具体的，当砝码37位于 第一应变铰33支点A的左侧（A-D侧）时，记第一应变铰33的变形输出为 正向电压比率ε_t-a（μV/V）；当砝码37位于第一应变铰33支点A的右侧（A-C 侧）时，记第一应变铰33的变形输出为反向电压比率ε_c-a（μV/V）。

上述实施例提供的力与力矩杠杆，采用第一应变铰33作为支撑件代替“刀 -刀承”组件，很显然，第一应变铰33仅受到正向弯矩作用（或反向弯矩作用） 而产生正向纯弯曲变形（或反向纯弯曲变形），无摩擦力矩的影响，从而可 以利用第一应变铰33具有的较高输出灵敏度和分辨力的特性，来获得力与力 矩杠杆平衡时所需的较小灵敏限，以达到减小对被校力传感器36或被校扭矩 传感器38施加作用力或力矩时产生力值或扭矩值的偏差的目的。

优选的，上述实施例提供的力与力矩杠杆中，第一弹性体3301呈长方体 状，且第一弹性体3301具有两个与其主变形区中心线对称的第一凹槽3302， 两个第一凹槽3302分别位于第一弹性体3301两侧，第一凹槽3302为圆弧凹 槽；第一电阻应变计电桥3303设置于第一凹槽3302内。需要说明的是，圆 弧凹槽，是指第一凹槽3302的槽底面为圆弧面；第一电阻应变计电桥3303 的数目为两个，每个第一凹槽3302内具有一个第一电阻应变计电桥3303。这 样，第一弹性体3301两侧的凹槽形成的应变区的结构便于与杠杆本体31配 合安装。当然，第一应变铰33还可为其他结构和其他形状，本发明实施例对 此不做具体地限定。

需要说明的是，上述实施例提供的力与力矩杠杆，两个第一凹槽3302的 中心线与杠杆本体31的长度中心线相互垂直。这样，便于接受杠杆本体31 产生正向偏转或者反向偏转时，使弹性体3301产生正反两个方向的纯弯曲变 形。

优选的，上述实施例提供的力与力矩杠杆中，传力件34为第二应变铰， 第二应变铰包括：其中心线与支撑件中心线平行的第二弹性体，设置于第二 弹性体的主变形区内的第二电阻应变计电桥；其中，第二弹性体呈长方体状， 且第二弹性体具有与其主变形区中心线对称的两个第二凹槽，两个第二凹槽 分别位于第二弹性体两侧，第二凹槽为圆弧凹槽，第二电阻应变计电桥设置 于第二凹槽内。需要说明的是，圆弧凹槽是指第二凹槽的槽底面为圆弧面； 第二电阻应变计电桥的数目为两个，每个第二凹槽内具有一个第二电阻应变 计电桥。这样，结合第一应变铰33和第二应变铰，在负荷作用下的产生正反 两个方向的纯弯曲变形的特性，利用两个应变铰产生相同方向的弯曲变形时 的输出，来判断力点B受到的反向平衡力的大小，通过比较第一应变铰33和 第二应变铰的输出灵敏度的值来获得力点B与支点A的平衡点；还可以通过 比较两个应变铰的相同方向变形输出灵敏度的值，来获得砝码37在重力臂上 距力臂的力点B的准确位置L₂和L₃，从而获得准确的杠杆放大比，以此获得 准确的力值。

需要说明的是，第二应变铰34与第一应变铰33的结构相同，在额定负 荷作用下产生正、反两个方向弯曲变形的输出灵敏度相同（或相近）；具体 的，当砝码37位于杠杆支点A第一应变铰33的左侧时，记第二应变铰34的 变形为正向弯曲变形，输出电压比率值为ε_t-b（μV/V）；当砝码37位于杠杆 支点A和力点B第二应变铰34的右侧时，记第二应变铰34的变形为反向弯 曲变形，输出电压比率值为ε_c-b（μV/V）。

优选的，上述实施例提供的力与力矩杠杆，还包括与第二弹性体相连的 机械铰35，机械铰35的弹性体两侧的凹槽方向垂直于第二凹槽的方向，机械 铰35的弹性体的中心线与第二弹性体的中心线共线。其中，机械铰35的弹 性体与第二弹性体的结构相同，即机械铰35的弹性体呈长方体状，且弹性体 具有两个与其主变形区中心线对称的凹槽，两个凹槽分别位于弹性体两侧， 凹槽为圆弧凹槽。需要说明的是，凹槽方向是指凹槽的深度方向，第二凹槽 的方向是指第二凹槽的深度方向。这样，能够改善杠杆本体31的横向水平度， 以便正确传递杠杆本体31两边重力臂对力点B产生的作用力，和正确传递被 校力传感器36所受的反向平衡力。

优选的，上述实施例提供的力与力矩杠杆中，杠杆本体31的两个重力臂 末端距支点A的距离设定为1000mm，即两个重力臂L₂和L₃的最大长度为 L₂=L₃=1000mm，力臂L₁设定为固定长度L₁=10mm；两个方向的放大比为 L₂/L₁=L₃/L₁=100︰1；显然，放大比可以根据重力臂长度L₂、L₃和力臂长度 L₁进行调整，本发明实施例对此不做具体地限定。

基于上述实施例提供的力与力矩杠杆，本发明实施例还提供了一种力与 扭矩标准装置，该力与扭矩标准装置包括：上述实施例所述的力与力矩杠杆， 力与力矩杠杆的传力件34用于设置被校力传感器36，力与力矩杠杆的扭矩轴 32用于设置被校扭矩传感器38；设置于力与力矩杠杆的杠杆本体31上的砝 码37；与砝码37相连且驱动砝码37沿杠杆本体31的长度方向移动的驱动装 置310；用于对被校力传感器36施加平衡力的第一加力装置311；用于对被 校扭矩传感器38施加平衡力矩的第二加力装置312。

由于上述实施例提供的力与力矩杠杆，既能传递作用力也能传递作用力 矩，则本发明实施例提供的力与扭矩标准装置采用上述力与力矩杠杆后，为 既能校准力传感器还能校准扭矩传感器的标准装置，无需采用一个力标准装 置和一个扭矩标准装置，从而降低了校准成本。

本发明实施例提供的力与扭矩标准装置中，力与力矩杠杆安装有机械铰 35时，该力与扭矩标准装置的使用方法为：

拉向力测量时，被校力传感器36的上拉头与机械铰35拉头连接，机械 铰35拉头设置为U形拉头，被校力传感器36的上拉头设置为O形拉头，使 机械铰35的U形拉头与力传感器36的O形拉头之间预留一定的间隙，以不 影响杠杆的初始平衡；被校力传感器36的下拉头与第一加力装置311的输出 轴内螺纹连接，使用时，机械铰35的中心线、被校力传感器36的中心线和 第一加力装置311输出轴的轴线三者共线，以保证拉向力测量同轴度。

压向力测量时，将被校力传感器36的上拉头更换为压头（圆弧面），机 械铰35拉头更换为压杆（平面），使力传感器36的压头与机械铰35的压杆 之间预留一定的间隙，以不影响杠杆的初始平衡；被校力传感器36的下拉头 与第一加力装置311的输出轴内螺纹连接。使用时，机械铰35的中心线、被 校力传感器36的中心线和第一加力装置311输出轴的轴线三者共线，以保证 压向力测量同轴度。

正反向扭矩测量时，将被校扭矩传感器38的一端接头（一般为外方形接 头）与扭矩轴32（一般为内方形接头）连接，另外一端接头与第二加力装置 312输出轴（一般为柔性连轴器）连接，使扭矩轴32、被校扭矩传感器38与 第二加力装置312输出轴三者的轴线共线，以保证正、反向扭矩测量时的同 轴度。

需要说明的是，驱动装置310位于杠杆本体31的一端，即图7中的C端 （也可以设置在D端）。螺杆39的轴线与杠杆本体31的两侧轨道的水平线 平行，使砝码37安装在螺杆39上的重心约等于（或约高于）杠杆本体31的 重心的位置；第一应变铰33和第二应变铰的安装水平面与杠杆本体31的两 侧轨道的水平面共面（在同一水平面上）。可采用两个第一应变铰33横向并 联安装在杠杆本体31支点A的水平中心线上，以进一步改善杠杆本体31整 个长度范围内的横向水平度；也可采用两个第一应变铰33横向并联，且与第 二应变铰呈小角度等腰三角形定位（两个第一应变铰33位于两个小角的端点， 第二应变铰位于等腰三角形顶点），以减小支点A和力点B的距离，从而减 小力臂L₁的长度。

由于本发明实施例提供的力与力矩杠杆为双重力臂力与力矩杠杆，能够 通过改变砝码37在两个重力臂上的相对位置，来改变被校力传感器36所需 作用力的方向，而无需再设置力反向架；而且，在改变被校扭矩传感器38所 需作用力矩的方向时，无需在杠杆本体31两端设置两组砝码37及两组砝码 的加载装置；本发明实施例提供的力与扭矩标准装置，采用上述实施例提供 的力与力矩杠杆后，通过驱动装置310驱动砝码37沿杠杆本体31上的螺杆 39轴线在杠杆本体31上移动，来改变对被校力传感器36施加作用力的方向， 或改变对被校扭矩传感器38施加力矩的方向，从而简化了力与扭矩标准装置 的结构。

同时，本发明实施例提供的力与扭矩标准装置，设置有驱动砝码37沿杠 杆本体31的重力臂移动的驱动装置310，能够使得砝码37位于杠杆本体31 上的任意位置，这样，就能够改变重力臂L₂或L₃的长度，从而改变杠杆放大 比，进而改变被校力传感器36所受作用力的大小和被校扭矩传感器38所受 作用力矩的大小，则无需配备多个砝码37以及由多个砝码组合加载的加力装 置，从而减少了砝码37的数量，简化了复杂的砝码加载机构，降低了校准成 本。

同时，本发明实施例提供的力与扭矩标准装置，通过移动砝码37在杠杆 本体31上的相应位置来改变重力臂L₂或L₃的长度，进而改变被校力传感器 36所受作用力的大小或被校扭矩传感器38所受作用力矩的大小，这样，就能 够获得连续的等间隔或不等间隔的任意力级或扭矩级，从而获得一个完整的 拉、压向力或正、反向扭矩的测量量程，从而提升了该力与扭矩标准装置的 测量性能。

同时，本发明实施例提供的力与扭矩标准装置，可以通过改变力臂的长 度L₁来获得尽可能大的杠杆放大比L₂/L₁或L₃/L₁，这样，可大幅度减小砝码 37的质量，可减至是传统的采用“刀-刀承”支撑的单重力臂杠杆的1/10至 1/100），因此需要的加荷时间可以相应地缩短，加荷速度可以减少至单重力 臂杠杆的1/5至1/10，从而使得该力与扭矩标准装置的测量效率大幅度提高， 且驱动装置310所需的输出功率得到大幅度减小，具有较显著的节能效果。

进一步地，上述实施例提供的力与扭矩标准装置，采用第一应变铰33作 为支撑件，很显然，第一应变铰33无摩擦力矩的影响，使得力与扭矩标准装 置具有较小的灵敏限；采用第二应变铰作为传力件，第一应变铰33和第二应 变铰配合使用时，从而避免了由支撑件带来的对被校力传感器36施加作用力 时产生的力值偏差，或由支撑件带来的对被校扭矩传感器38施加作用力矩时 产生的扭矩值的偏差；同时，第一应变铰33具有正向纯弯曲变形和反向纯弯 曲变形输出的特性，可根据第一应变铰33正向输出灵敏度和反向输出灵敏度 的值来判断该力与力矩杠杆是否平衡，从而获得杠杆固定力臂力点无负荷时 相对于支点的初始平衡点；第一应变铰33与第二应变铰配合使用时，可以获 得砝码37在杠杆本体31重力臂上的准确位置，即重力点与力点形成的杠杆 放大比，避免采用昂贵的高分辨力位移传感器，从而降低了采用该力与力矩 杠杆的力与扭矩标准装置的使用成本。

需要说明的是，第一应变铰33和第二应变铰34的变形输出均需要通过 应变测量放大器对其电阻应变计电桥的输出进行放大和校准，通过放大和校 准后的输出为电压比率单位mV/V或μV/V的量值，当然也可以使用相应的长 度测量仪器对应变铰及应变测量放大器的输出电压比率值进行校准，将mV/V 或μV/V值转换为以mm或μm为单位的量值。本发明实施例对此不做具体地 限定。

上述实施例提供的力与扭矩标准装置中，第一加力装置311需要由应变 测量放大器与微机伺服控制系统测量到第一应变铰33和第二应变铰34的输 出信号反馈给微机伺服控制系统，由微机系统对需要产生的每一个力级或扭 矩级，执行对砝码37在重力臂L₂或L₃对力臂L₁的力点的相应位移量进行精 确控制，以获得准确的放大比L₂/L₁或L₃/L₁；包括对砝码37在杠杆支点A初 始平衡点时，相对于初始零点的微小位移量的精确调控。

优选的，上述实施例提供的力与扭矩标准装置中，第一应变铰33和第二 应变铰34的输出信号的测量使用高分辨力的应变测量放大器，第一加力装置 311和第二加力装置312为同一微机伺服控制系统，这样，便于对被校力传感 器36施加反向平衡力或对被校扭矩传感器38施加平衡力矩时的精确控制。 本发明实施例对此不做具体地限定。

优选的，上述实施例提供的力与扭矩标准装置中，驱动装置310包括： 设置于杠杆本体31上的丝杠机构，驱动丝杠机构的螺杆39转动的驱动部件； 其中，丝杠机构的螺杆39的轴线与杠杆本体31的长度中心线平行，砝码37 与丝杠机构的螺母连接。

上述实施例提供的力与扭矩标准装置中，砝码37的形状和砝码37与螺 杆39螺母的连接有多种实现方式，例如砝码37呈倒U形状长方体，将砝码 37套设在螺母外侧（螺杆39通过砝码37的中心线与螺母连接），倒U形状 长方体两端设置在杠杆本体31的两侧轨道上；或者砝码37由两个不同大小 的倒U形状砝码重叠套设在螺杆39螺母外侧，小U形状砝码与螺母连接， 小砝码单独运行时作为小量程测量时使用，两个砝码37重叠运行时作为大量 程测量时使用。本发明实施例对砝码37的形状和与螺杆39螺母的连接形式 不做具体地限定。

优选的，上述实施例提供的力与扭矩标准装置中，驱动装置310的驱动 部件、第一加力装置311和第二加力装置312均包括伺服电机和与伺服电机 相连的减速机；伺服电机为带有光电编码器的伺服电机；第一加力装置311、 第二加力装置312与驱动装置310共用一个微机伺服控制系统。

上述实施例提供的力与扭矩标准装置中，在校准力传感器时，利用了第 一应变铰33与第二应变铰同方向弯曲变形的输出，来获得砝码37在杠杆本 体31重力臂上的准确位置，即重力臂的重力点与力臂的力点形成的杠杆放大 比；而在校准扭矩传感器时，为了获得较小的灵敏限和较高准确度的力臂长 度，以产生准确的扭矩测量值，第二应变铰和机械铰35是不能与被校力传感 器36连接的，因此第二应变铰没有工作，使得第一应变铰33与第二应变铰 34不能够配合使用；为此，在进行扭矩测量时，要获得砝码37在杠杆本体 31重力臂上的准确位置，即杠杆两端重力臂的重力点与扭矩轴32的力矩点形 成的力臂长度L₂或L₃，则需要利用驱动装置310配备的、安装在驱动装置310 驱动机构中的伺服电机上的光电编码器及测量放大器的输出，来测量砝码37 在杠杆本体31重力臂上的准确位置，即重力点与力矩点形成的力臂长度L₂或L₃；由微机伺服控制系统对需要产生的每一个扭矩级，执行对砝码37在重 力臂L₂或L₃对力矩点的相应位移量进行精确控制，以获得准确的力臂长度 L₂或L₃值，即获得正向扭矩值或反向扭矩值；其中，伺服电机上的光电编码 器及测量放大器具有较高的输出灵敏度（其输出一般为数字量或其他模拟 量），可利用长度测量仪器将其输出灵敏度进行校准成为mm或μm单位的 量值，其输出灵敏度的分辨力具有与第一应变铰33相当的分辨力，对应 1000mm长度值其分辨力一般可以达到1000.001mm～1000.005mm；工作时， 可利用伺服电机上的光电编码器的输出灵敏度的值，对砝码37在杠杆重力臂 L₂或L₃对力矩点的相应位移量进行精确控制，从而获得准确的扭矩测量值 M₍₊₎=W*L₃和M_(-)=W*L₂。

为了便于砝码37沿杠杆本体31移动，上述实施例提供的力与扭矩标准 装置中，杠杆本体31的两个侧面设置有供砝码37移动的轨道，轨道关于杠 杆本体31的长度中心线对称，这样，通过轨道可对砝码37实现限位，以保 证砝码37沿杠杆本体31作直线移动，进而保证砝码37沿杠杆本体31移动 的位置精度，从而获得准确的放大比L₂/L₁或L₃/L₁；为了确保砝码37在轨道 上移动的位置精度，连接杠杆本体31整个长度中心的螺杆39的轴线与杠杆 本体31两侧轨道的水平线共面，使砝码质量中心与杠杆质量中心在同一水平 面上，这样，既保证了砝码37在轨道上运行稳定，又保证了砝码沿杠杆本体 31整个长度方向移动的位置精度。本发明实施例对承载砝码37运行的杠杆本 体31上的轨道的安装位置不做具体地限定。

为了最大程度地简化力与扭矩标准装置的结构，上述实施例提供的力与 扭矩标准装置中，砝码37的数目为一个或者两个，当砝码37的数目为两个 时，两个砝码37重叠放置。由于上述力与扭矩标准装置仅需改变砝码37在 杠杆本体31的重力臂上的位置，就能够改变被校力传感器36所受的作用力 大小和作用力方向，只要选择合适的杠杆放大比L₂/L₁或L₃/L₁，一个砝码37 即可满足所需质量要求，从而无需使用多个砝码37和多个砝码组合的加力装 置，最大程度地简化了力与扭矩标准装置的结构。当然，也可选择较小杠杆 放大比来增大砝码37的质量，还可选择较大杠杆放大比来减小砝码37的质 量。本发明实施例对此不做具体地限定。

对所公开的实施例的上述说明，使本技术领域专业技术人员能够实现或 使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显 而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情 况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些 实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。