专利名称：用于校准杯突试验机的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种计量标准装置，特别涉及一种便于携带的用于校准杯突试验机的装置。
背景技术：
杯突试验机的工作原理是以相应的恒定力，将试样(金属板、带)夹紧在压模与垫模之间，并用规定的球形状冲头向试样施加横向冲压力，将试样压入压模内，直至试样出现穿透裂缝为止，此时冲头压入试样的深度即为试样的杯突示值.杯突试验机还可作有色金属冲杯试验或对非金属制品进行顶破强度试验。
杯突试验机作为一种测量器具，计量特性是主要的技术要求，其计量性能要求主要包括压模轴线与冲头球部轴线的同轴度；垫模与试样接触的工作面与冲头球部轴线的垂直度；杯突示值装置指示零位的平面度；冲压试验力；夹紧力；冲头位移杯突示值等六项技术指标。然而影响杯突试验结果的因素主要有试样夹紧力、冲压试验力、冲头位移以及冲头、压模和垫模的相对位置误差等，因而在杯突试验前需对杯突试验机进行校准，但是由于目前对试样夹紧力的校准一直无相应的手段解决，故至今还没有能够对杯突试验机进行综合校准的装置。虽然我国制定了现行的JJG583-1988杯突试验机检定规程，现有的杯突试验机的测量装置，主要在于测量杯突试验机的冲头与垫模、压模的平面度、同轴度和垂直度、杯突示值等，因试样夹紧力的检定方法只能采用间接检定方法，由于检定的部位与使用状态不一致，无法确定其计量特性，因而未对杯突试验机冲压试验力、夹紧力的方位误差作规定，所以此检定规程的检定方法尚无法施行。另外，现有的杯突试验机的测量装置对测量到的杯突试验机的平面度、同轴度和垂直度、杯突示值，是通过百分表和千分表测量显示。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种用于校准杯突试验机的装置，它能够综合测量杯突试验机的压模轴线与冲头球部轴线的同轴度、垫模与试样接触的工作面与冲头球部轴线的垂直度、杯突示值装置指示零位平面度、冲头位移的杯突示值、冲压试验力、夹紧力的计量性能，解决杯突试验机量值的溯源。
本实用新型的目的是这样实现的包括分别用于测量杯突试验机的平面度、同轴度和垂直度、杯突示值的三个光栅位移传感器，以及一个测量冲压力的冲压力传感器，其特征在于所述三个光栅位移传感器测量到的信号分别经三坐标光栅信号处理倍频卡处理后输入单片机CPU，所述冲压力传感器和用于测量夹紧力的应变式多分量力传感器测量到的信号分别经多路力传感器数据处理器处理后，通过数据接口USB输入单片机CPU。
由于采用了上述方案，本校准装置的三坐标光栅数显装置采用将三路光栅测微电路集成在一个运用复杂可编程逻辑器件的20倍频的三坐标光栅信号处理倍频卡上，用于处理测量杯突试验机的平面度、同轴度和垂直度、杯突示值的三个光栅位移传感器传输的信号，使三坐标光栅数显装置的体积减小，并且提高了抗干扰能力和可靠性。采用了应变式多分量力传感器用于测量杯突试验机对试样的夹紧力，能够对多点力同时测量，解决了杯突试验机对试样夹紧力的示值和方位误差的校准问题，使本校准装置具有对杯突试验机进行综合校准的功能，能够基本反映所有杯突试验机在做杯突试验过程中计量特性的全貌，由此能够对杯突试验机冲压试验力、夹紧力的方位误差作规定，并且使国家制定的杯突试验机的检定规程的检测方法能具体施行。本校准装置的三坐标光栅信号处理倍频卡安装在工业型便携式计算机内，而对力值测量传感器的多路力传感器数据处理器采用通用USB数据接口与工业型便携式计算机进行数据传输，使用于校准杯突试验机的装置成为真正的功能完善的一体化便携式校准装置，在提高工作效率的同时给与测量人员极大的工作方便，而且保证了测量数据的完整性、可靠性和安全性。本校准装置能进行自动数据采集和处理，并与外置设备配合，将获得的校准结果、原始记录、校准证书等生成和打印。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的框图；图2为本实用新型的三坐标光栅信号处理倍频卡电路逻辑框图图3为本实用新型的应变式多分量力传感器的示意图。
具体实施方式
参见图1，本校准装置由用于测量杯突试验机的杯突示值装置指示零位平面度的光栅位移传感器1#、测量压模轴线与冲头球部轴线的同轴度和垫模接触试样的工作面与冲头球部轴线的垂直度的光栅位移传感器2#、测量冲头位移的杯突示值的光栅位移传感器3#、测量冲压力的冲压力传感器、测量夹紧力的应变式多分量力传感器、多路力传感器数据处理器、三坐标光栅信号处理倍频卡、USB数据接口、单片机CPU，以及工业型便携式计算机组成。三坐标光栅信号处理倍频卡、USB数据接口、单片机CPU安装在工业型便携式计算机内，三坐标光栅信号处理倍频卡、USB数据接口分别与单片机CPU对应连接，三个光栅位移传感器1#、2#、3#分别通过导线与三坐标光栅信号处理倍频卡对应连接，冲压力传感器、应变式多分量力传感器分别通过导线与多路力传感器数据处理器对应连接，多路力传感器数据处理器通过导线连接USB数据接口。所述三个光栅位移传感器1#、2#、3#测量到的信号分别经三坐标光栅信号处理倍频卡处理后输入单片机CPU，所述冲压力传感器和应变式多分量力传感器测量到的信号分别经多路力传感器数据处理器处理后，通过数据接口USB输入单片机CPU。
参见图2、所述三坐标光栅信号处理倍频卡为三坐标光栅信号的20倍频处理电路，由对三个光栅位移传感器1#、2#、3#测量到的平面度信号、同轴度和垂直度信号、杯突示值信号分别进行处理的三个放大电路、三个5倍频电路、两个复杂可编程逻辑器件CPLD1、CPLD2组成。平面度、同轴度和垂直度、杯突示值信号分别经过一个放大电路、一个5倍频电路、复杂可编程逻辑器件CPLD1、复杂可编程逻辑器件CPLD2处理后输入单片机CPU。所述复杂可编程逻辑器件CPLD1内集成有由整型电路、4倍频电路、判向电路串联而成的三组电路，其每组电路对应一个光栅位移传感器传输出的一路信号。所述复杂可编程逻辑器件CPLD2内集成有可逆计数电路三个、控制逻辑模块、数据清零电路、数据锁存电路和数据总线接口、地址总线接口、读写控制接口；其控制逻辑模块分别与三个可逆计数电路、数据清零电路、数据所存电路、数据总线接口、地址总线接口、读写控制接口连接；每个可逆计数电路对应一个光栅位移传感器传输出的一路信号；数据总线接口、地址总线接口、读写控制接口对应连接单片机CPU。
参见图3，所述用于测量夹紧力的应变式多分量力传感器为一个在圆环形外壳2内设置一个有三个分量部的弹性体11，弹性体11的圆形底座3通过螺栓紧固连接在圆环形外壳2上。所述弹性体11的三个分量部等分360°圆，各分量部的长度相等，弹性体11的三个分量部之间有用于隔离各分量的间隙7，该间隙7贯穿底座3形成穿孔。所述弹性体11的圆形底座3下端有用于定位的圆形台阶，该底座3与弹性体11为一体加工成型的整体结构。所述弹性体11的各分量部的上端面均设有一个凸起的受力点1，该受力点1中心位于各分量部的纵对称平面。受力点1下方对称地设有四个横向孔5，每一侧的两个孔水平并列。各分量部的受力点1至弹性体11中心的距离相等，受力点1对应于对称的四个孔5之间。对称的孔5之间的弹性体壁圆周上均布有四个小通孔，其中两个孔位于直径坐标X轴上，两个孔位于直径坐标Y轴上。弹性体11的各分量部均设有使该分量部形成简支梁结构的条形通孔，条形通孔位于两个水平并列的孔5的下方，条形通孔8的长度约大于所并列的两孔的外端之间的距离。对称的孔5之间的弹性体壁两面的圆心处各贴有一个电阻应变片6，每一分量部的四个电阻应变片6通过导线连接组成一个测量电桥，测量电桥将信号传输到多路力传感器数据处理器。
使用本校准装置对杯突试验机进行校准测量平面度在计算机的杯突试验机校准测量系统菜单中点击平面度测量按钮，弹出平面度测量界面，根据所使用的光栅位移传感器1#选择相对应的数据采集卡的通道。首先将平面度示值测量装置放置于平板上，把光栅位移传感器1#预压2mm夹持在平面度示值测量装置上，点击清零按钮，使光栅传感器显示值为零；再将杯突试验机的垫模上升至工作位停止。随后将平面度示值测量装置移至垫模上，并使光栅位移传感器测头的触点与冲头顶端最高点接触，点击数据采集按钮，计算机自动读入此时光栅传感器的位移数据。按上述过程进行五次重复测量，计算机自动取五次重复测量中最大值为该项误差，然后以此为据校准杯突试验机的平面度。
同轴度测量在计算机的杯突试验机校准测量系统菜单中点击同轴度测量按钮，弹出同轴度测量界面，根据所使用的光栅位移传感器2#选择相对应的数据采集卡的通道。取下冲头及压模换上同轴度测量转头和同轴度测量筒，施加2～3kN的夹紧力；将同轴度测量杠杆通过机头圆孔安放在测量转头上，再将光栅位移传感器2#预压2mm夹持在同轴度测量杠杆上，点击清零按钮，使光栅传感器显示值为零；顺时针缓慢旋转测量杠杆一周，点击数据采集按钮均匀采集八个点；将试验机冲头上升20mm，按同样的方法进行测量，计算机将自动计算出极差(最大与最小示值之差)和杯突试验机同轴度。然后以此为据校准杯突试验机的同轴度。
垂直度测量在计算机的杯突试验机校准测量系统菜单中点击垂直度测量按钮，弹出垂直度测量界面，根据所使用的光栅位移传感器2#选择相对应的数据采集卡的通道。将试验机机头打开，取下冲头转头换上垂直度测量转头，取下垫模放上垂直度测量筒；将垂直度专用检具安放在测量转头上，再将光栅位移传感器2#预压2mm夹持在专用检具上，点击清零按钮，使光栅传感器显示值为零；光栅位移传感器2#绕冲头座定位孔轴线旋转一周，同时在此圆周内均匀采集八个点以上的示值；每到一预定采样位置时，点击数据采集按钮，计算机自动读入此时光栅位移传感器的位移数据；八个点数据采集完成后，计算机自动计算出极差(最大与最小示值之差)和杯突试验机垂直度。然后以此为据校准杯突试验机的垂直度。
杯突示值测量在计算机的杯突试验机校准测量系统菜单中点击杯突值测量按钮，弹出杯突值测量界面，输入需测量的杯突示值测量点标称示值。上升垫模直至停止，将杯突示值装置放置于垫模上，再将光栅位移传感器3#置于杯突示值装置内预压2mm固紧；测量前，点击清零按钮，使光栅位移传感器显示值为零。启动杯突试验机，使冲头平稳地上升，当杯突试验机指示仪表达到杯突示值测量点标称示值时，点击数据采集按钮，计算机自动读入此时光栅位移传感器3#的测量值，照此过程进行五次重复测量。当每个校准点的各次测量完成后，计算机自动计算出示值误差、示值相对误差和示值重复性。
冲压力测量在计算机的杯突试验机校准测量系统菜单中点击冲压力测量按钮，弹出冲压力测量界面，输入标称试验力kN。将杯突试验机机头打开，按动试验机冲头上升按钮，顺时针缓慢旋转冲压力快慢旋钮，使冲头略高于垫模表面；再将冲压力传感器带凹球面的一侧放置在冲头上，盖上机头向逆时针方向旋转锁定；上升垫模直至冲压力传感器距压模约1mm时停止，点击清零按钮，使力传感器显示值为零。以杯突试验机指示仪表为准缓慢施加冲压试验力，当试验力加到校准点时，点击数据采集按钮，计算机自动读入此时冲压力传感器的示值。当五次重复测量完成后，计算机自动计算出示值重复性相对误差和示值相对误差。然后以此为据检定、校准杯突试验机的冲压力。
夹紧力测量在计算机的杯突试验机校准测量系统菜单中点击夹紧力测量按钮，弹出夹紧力测量界面，输入标称试验力kN。将试验机机头打开，取下压模，换上专用压模。再将传感器套筒套在垫模上，放入应变式多分量力传感器盖上机头，点击清零按钮，使力传感器显示值为零，逆时针旋转机头锁定；以杯突试验机指示仪表为准平稳施加夹紧力，当试验力加载至校准点时，点击数据采集按钮，计算机自动读入此时夹紧应变式多分量力传感器的示值。在应变式多分量力传感器初始安装位置上(0°)重复测量3次，再转动应变式多分量力传感器，在相对于初始位置的90°、180°和270°的方位上进行测量。当每个校准点的各次测量完成后，计算机就自动计算出在各量级夹紧试验力值，包括应变式多分量力传感器0°方位上的合力、应变式多分量力传感器0°方位上的合力平均值、各分力平均值、重复性、示值相对误差和方位误差。然后以此为据校准杯突试验机的夹紧力。
本校准装置适合现场使用，能保证测量结果的量值准确可靠，能进行自动数据采集和处理，获得的校准结果能生成和打印原始记录、校准证书等。该装置夹紧力示值相对误差测量不确定度U95＝0.15％[k95＝t95(52)＝2.0]，位移测量系统示值误差测量不确定度U95＝0.07％[k95＝t95(23)＝2.09]，完全能满足杯突试验机校准的要求。
权利要求1.一种用于校准杯突试验机的装置，包括分别用于测量杯突试验机的平面度、同轴度和垂直度、杯突示值的三个光栅位移传感器，以及一个测量冲压力的冲压力传感器，其特征在于所述三个光栅位移传感器测量到的信号分别经三坐标光栅信号处理倍频卡处理后输入单片机CPU，所述冲压力传感器和用于测量夹紧力的应变式多分量力传感器测量到的信号分别经多路力传感器数据处理器处理后，通过USB数据接口输入单片机CPU。
2.根据权利要求1所述的用于校准杯突试验机的装置，其特征在于所述三坐标光栅信号处理倍频卡为三坐标光栅信号的20倍频处理电路。
3.根据权利要求2所述的用于校准杯突试验机的装置，其特征在于所述三坐标光栅信号的20倍频处理电路由对平面度信号、同轴度和垂直度信号、杯突示值信号分别进行处理的三个放大电路、三个5倍频电路、两个复杂可编程逻辑器件CPLD1、CPLD2组成，平面度、同轴度和垂直度、杯突示值信号分别经由一个放大电路、一个5倍频电路、复杂可编程逻辑器件CPLD1、复杂可编程逻辑器件CPLD2处理后输入单片机CPU。
4.根据权利要求3所述的用于校准杯突试验机的装置，其特征在于所述复杂可编程逻辑器件CPLD1内集成有由整型电路、4倍频电路、判向电路串联而成的三组电路，其每组电路对应一个光栅位移传感器传输出的一路信号。
5.根据权利要求3所述的用于校准杯突试验机的装置，其特征在于所述复杂可编程逻辑器件CPLD2内集成有可逆计数电路三个、控制逻辑模块、数据清零电路、数据锁存电路和数据总线接口、地址总线接口、读写控制接口，其控制逻辑模块分别与三个可逆计数电路、数据清零电路、数据锁存电路、数据总线接口、地址总线接口、读写控制接口连接，每个可逆计数电路对应一个光栅位移传感器传输出的一路信号，数据总线接口、地址总线接口、读写控制接口对应连接单片机CPU。
6.所述根据权利要求1所述的用于校准杯突试验机的装置，其特征在于所述三坐标光栅信号处理倍频卡、USB数据接口、单片机CPU安装在工业型便携式计算机内。
7.根据权利要求1所述的用于校准杯突试验机的装置，其特征在于所述用于测量夹紧力的应变式多分量力传感器为一个圆环形外壳(2)内连接有一个至少有三个分量部的弹性体(11)，弹性体(11)各分量部的上端面均设有一个凸起的受力点(1)，受力点(1)下方对称地设有四个横向孔(5)，对称的孔(5)之间的弹性体壁两面的圆心处各贴有一个电阻应变片(6)，每一分量部的电阻应变片(6)通过导线连接组成一个测量电桥，测量电桥将信号传输到多路力传感器数据处理器。
专利摘要本实用新型公开了一种用于校准杯突试验机的装置，它由测量杯突试验机的平面度、同轴度和垂直度、杯突示值的三个光栅位移传感器、测量冲压力的冲压力传感器、测量夹紧力的应变式多分量力传感器、多路力传感器数据处理器、以及安装有三坐标光栅信号处理倍频卡、USB数据接口、单片机CPU的工业型便携式计算机组成。它能够综合检测杯突试验机的压模、垫模和冲头的尺寸公差及表面粗糙度、压模轴线与冲头球部轴线的同轴度、垫模与试样接触的工作面与冲头球部轴线的垂直度、杯突示值装置指示零位平面度、冲头位移的杯突示值、冲压试验力、夹紧力的计量性能，为校准杯突试验机提供依据。
文档编号G01N3/30GK2835989SQ20052000997
公开日2006年11月8日 申请日期2005年9月19日 优先权日2005年9月19日
发明者周兆丰, 陈骥, 曹久大, 叶锦成 申请人:重庆建设摩托车股份有限公司