一种基于自适应算法的测量垫块的设计方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于计量仪器领域，尤其是涉及利用基于液体静力法的体积测量系统中测 量砝码体积所用的测量垫块的设计和应用，具体是基于自适应算法的测量垫块的设计方法 及应用。
【背景技术】
[0002] 物体的密度：为物体的质量除以其体积的商，公式为P =m/v。由于砝码的质量测 量是在空气中进行的，而根据阿基米德定理，物体所受到的浮力等于它所排开气体（液体） 的质量。因此，对于高准确度的质量测量，需要知道被测砝码的体积，以便进行空气浮力修 正，得到其准确的质量值。按照国际建议Rlll(2004版）和JJG99-2006《砝码》检定规程 的要求，如果在海拔330米以上使用Ei等级、E 2等级砝码，须提供砝码的密度及其相应的不 确定度。对于？:等级砝码，如果在800米以上使用时，F i等级砝码也应进行空气浮力修正。 如：E2等级的20g以上砝码都必须测量其体积；在海拔800米以上使用的F i等级的50g以 上砝码也需要实际测量体积。
[0003] 目前的砝码体积测量方法有三种：一是将所使用的水或其它适宜的液体作为密度 标准，或者以固体密度为基准的体积比较法，该方法适用于准确度等级较高的砝码；方法 二，是通过基于声学的方法测量砝码的体积，该方法适用于各准确度等级的砝码，尤其是带 有调整腔的砝码。方法三，JJG99 -2006《砝码》检定规程中提供了常用的合金列表，其中给 出了各种材料的密度值和相应的不确定度，用户可根据需要使用。此方法适用于准确度等 级较低的砝码。
[0004] 在第一种方法中，常用到一种体积比较仪，如VC1005,该种体积比较仪的设计最大 测量能力为lkg，最小分辨力为0.0 lmg。该种体积比较仪适用于lkg不锈钢砝码的体积测 量，通常包括0ML形状、圆柱体形状等。若是对于lkg低密度材料的砝码（如铝合金）等 材质的，或者是形状不同的（空心，纺锤形）砝码，这些特殊形状的砝码在质量科学计量当 中都是常见的砝码类型，然而其由于高度超出了体积测量比较仪的使用范围，极大的限制 了体积比较仪的使用范围，该种体积比较仪由于均是国外进口，若不能扩展其测量能力，就 会限制其适用范围，浪费科研经费购置的设备。
[0005] 因此，本发明中提出了一种砝码测量垫块的设计算法。
【发明内容】
[0006] 为了克服已有的测量问题，本发明提供了一种有助于实现形状和高度超出范围的 砝码体积的测量，而且能够将砝码稳固的基于自适应算法的测量垫块的设计方法。
[0007] 本发明还提供了一种测量结果准确、误差小的用测量垫块进行砝码体积测量的方 法。
[0008] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：在该测量垫块的表面加工有用 于稳定待测砝码的凹槽，其是由以下步骤设计而成：
[0009] (1)设计一个立方体原料块，其体积为Vblock = Bw .Bd *H ;其中H为原料块的高 度，Bw为原料块的宽度，Bd为原料块的长度，密度为P d;
[0010] (2)在原料块的顶面上加工一个弧形凹槽，凹槽的槽深为cbp，凹槽底部至原料块 底面的高度为h，则h = H-d印；
[0011] ⑶设定凹槽的圆弧所对应的圆心角为0，根据待测砝码的半径R，可得：
【主权项】
l. 一种基于自适应算法的测量垫块的设计方法，其特征在于：在该测量垫块的表面加 工用于稳定待测砝码的凹槽，其是由以下步骤设计而成： ⑴设计一个立方体原料块，其体积为Vblock=Bw?Bd?H;其中H为原料块的高度，Bw为原料块的宽度，Bd为原料块的长度，密度为Pd; (2) 在原料块的顶面上加工一个弧形凹槽，凹槽的槽深为cbp，凹槽底部至原料块底面 的高度为h，则h=H-d印； (3) 设定凹槽的圆弧所对应的圆心角为0，根据待测砝码的半径R，可得：
凹槽所对应的横截面为：
w为凹槽的槽口宽度； 则凹槽对应的体积为：Veut=SeutXBd从而得到测量垫块的体积为Vd=Vb^k-V。^ (4) 在自适应计算机算法参数空间中的体积到期望体积的差异绝对值DV= |V^-Vdl; (5) 在自适应计算机算法中，各种参数需满足如下约束条件：
其中：mt、Vt、Pt分别为待测砝码的质量、体积、密度； Pi表示用液体静力法体积测量的液体密度；md、Vd、Pd分别为测量垫块的质量、体积、密度； m, 、V,、P,分别为标准砝码的质量、体积、密度； T表示体积比较仪电子天平的电称量范围； Max为体积比较仪电子天平的最大秤量； 为体积比较仪砝码交换框架允许放置的最大砝码高度； (6) 通过在自适应计算机算法参数空间中，搜索离期望的体积值差距是最小值的索引， [H_index,dep_index] =min{DV} H=min{DV,H_index}dep=min{DV,dep_index}, 利用该索引获得测量垫块的高度值H和切削进深为dep的最优解，从而确定测量垫块 的加工参数。
2. 根据权利要求1所述的基于自适应算法的测量垫块的设计方法，其特征在于步骤 (4)中自适应计算机算法参数包括测量垫块的密度Pd、高度H、凹槽的槽口宽度w以及标准 砝码的质量叫、体积I、密度pJP待测砝码的质量mt、体积Vt、密度Pt以及步进加工精度 参数为precz、体积比较仪电子天平的电称量范围t。
3. 根据权利要求1所述的基于自适应算法的测量垫块的设计方法，其特征在于：所述 步骤（6)的自适应计算机算法执行步骤如下：给定一个初始值H和dep，判断其是否满足 所有的约束条件；若不满足，则继续下一个可能的解H和d印+preCZ，判断是否满足约束条 件，若满足，记录该值到所有可能的解空间{DV}中，该过程中停止直到判断完所有的解，在 {DV}中在寻找最优的H和dep，最优的解即满足Vexp与Vd间差值最小解。
4. 一种利用权利要求1所述的设计方法所得测量垫块对砝码体积测量的方法，其特征 在于由下述步骤组成： (1) 按照前述的设计方法加工与待测砝码相匹配的测量垫块； (2) 通过体积比较仪与标准砝码在液体中进行质量值比较，求得测量垫块的实际体积 值V; (3) 将步骤（1)加工的测量垫块放置在体积比较仪的秤盘上，再将待测砝码水平放置 在测量垫块的凹槽中，用基于液体静力法的体积测量方法，测得测量垫块和待测砝码的总 体积Vt(rtal; (4) 根据Vt=Vtotal-Vd'，得到待测砝码体积值Vt，完成待测砝码体积测量。
【专利摘要】本发明涉及一种基于自适应算法的测量垫块的设计方法及应用，属于计量领域，该测量垫块是利用自适应计算机算法，充分考虑了体积比较仪的电称量范围，质量比较仪测量工位尺寸及高度、体积比较仪砝码交换框架高度，体积比较仪最大秤量等设计参数，还考虑了待测砝码和标准砝码的密度值和实际质量值，确定出用于稳固砝码的凹槽的加工参数，从而设计出与测量砝码相适配的测量垫块。测量时，将待测砝码水平放置在该测量垫块上，利用液体静力法体积测量，得到待测砝码的体积，本发明的设计方法简单，提高了砝码测量的准确度，特别是水平放置砝码，减少砝码底部凹槽的气泡附着现象，提高体积测量的准确度，扩展体积比较仪的使用范围。
【IPC分类】G01F17-00
【公开号】CN104697598
【申请号】CN201510072823
【发明人】董雷, 许倩钰, 任孝平
【申请人】陕西省计量科学研究院
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月11日