专利名称：一种能量天平动圈组件的定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及精密定位及测量领域内的能量天平的定位系统，具体而言，本发明涉及能量天平的动圈组件中的一种液体阻尼式定位系统。
背景技术：
建立量子质量基准的工作在国际上已经探讨了多年，目前获得较大成效的方案是“功率天平方案”，其主要在英、加拿大、美、瑞士、法等国家以及国际计量局(BIPM)等单位进行。此种方案的主要思路是先用目前由实物基准(千克原器)来反复实现和保存的千克单位量值和已建成的电学量子基准尽可能准确地测量得到普朗克常数h。当各个国家实验室测量得到的数值在误差范围内相互吻合时，再由国际计量大会做出决议，把普朗克常数h定义为无误差常数。这样就可以反过来用普朗克常数h导出千克单位的量值，也就是我们希望得到的质量量子基准。“功率天平”(国外一般称为“Watt balance”)方案最早是由英国国家物理实验室(National Physical Laboratory, NPL)的 B. P. Kibble 博士提出，基本思路是把通以电流的载流线圈挂在天平上，同时将该载流线圈置于磁场中。由于载流线圈上受到的洛伦兹力与天平平衡时砝码上的重力相等，可通过电磁量导出砝码质量的量值，即通过天平把电功率与机械功率联系起来，并经过一系列的变换导出质量基准。但是，近些年来，国外“功率天平”方案的进展趋缓，遇到的最主要困难来自其动态测量过程，即必须在线圈的移动过程中对速度和感应电动势进行测量。同静态测量相比，动态测量过程中包含了更多不可控因素，其测量准确度难以进一步提高。针对国外研究的现状，我国提出了“能量天平”的新方案。实验系统主体为一架特制的精密天平，通过天平实现机械能量差与磁能量差的平衡。天平一端悬挂“可动线圈”，“可动线圈”所需磁场则由一组固定于地基上的“激励线圈”所产生。这样，作用在“可动线圈”上的力实际上就是“可动线圈”和“激励线圈”组之间的作用力。实验分两个过程，即称重过程和测量互感过程，这两个过程都在天平静态下进行测量，天平悬挂组合，也称为动圈组件，通常指天平边刀、十字铰链以及与铰链固定的环形可动线圈，该动圈组件只在竖直方向(z方向)受限制，其他自由度不受限制，在工作过程中会产生单摆或锥摆运动，以及围绕中心轴旋转运动，无法实现理想静态测量，尤其是测量互感过程需要测量天平悬挂组合不同z向位置的互感，互感对位置的变化非常敏感，因此对动圈组件进行快速、有效、精密定位是提高实验准确度的关键。
发明内容
为了克服现有的能量天平的动圈组件在工作时易发生单摆、锥摆及绕中心轴旋转运动，难以保持静态，从而影响了静态测量的准确性的问题，本发明提供了一种能量天平动圈组件的定位系统及其定位方法，所述定位系统具备特别的阻尼器，使动圈组件所连部件与底座上的部件之间产生阻碍动圈组件晃动的阻尼力，且上述各部件不直接接触并采用溶液介质，即采用液体阻尼式定位系统，使天平基本保持静态，减少由能量天平的单摆、锥摆及绕中心轴旋转运动造成的误差，适用于需要精密定位天平悬挂位置以及进行天平质量比较等技术领域。本发明所提供的一种能量天平动圈组件的定位系统，其与能量天平可动线圈2的底面相连接，所述定位系统包括底座1，所述定位系统的特征在于其还包括至少两组定位装置，每组定位装置包含一个阻尼器3和一个液体容器4，所述阻尼器3固定在所述能量天平可动线圈2的底面上，且沿其圆周等间距分布，所述液体容器4固定在所述底座I上，且所述液体容器4内包含溶液介质；所述阻尼器3置于所述液体容器4内，所述液体容器4的侧壁和底面不与所述阻尼器3接触。所述阻尼器3包括阻尼盘、接合杆和顶面，所述接合杆位于顶面和阻尼盘之间以将顶面和阻尼盘连接；所述液体容器4内包含溶液介质的粘性系数大于5X KT3Pa-S ;所述液体容器4内溶液介质的液面浸没所述阻尼器3的阻尼盘，即使所述阻尼盘完全浸入溶液介质内，所述接合杆横截面的直径小于2mm。由于液体容器4内液体始终位于接合杆底端和顶端之间，在能量天平轻微晃动时，所述接合杆浸入液体的体积虽然发生变化，但由于接合杆的横截面积很小，接合杆很细，因此晃动产生的浮力差非常�。蕴炱匠浦赜跋觳淮�。所述定位系统包括2 3组定位装置。所述液体容器4的侧壁和底面与所述阻尼器3的阻尼盘的间隙范围为I 5mm。所述阻尼器3的阻尼盘为圆杯状或十字叶片状，具有圆杯状阻尼盘的阻尼器通常称为圆杯状阻尼器，具有十字叶片状阻尼盘的阻尼器通常称为十字叶片状阻尼器，所述圆杯状阻尼盘对天平垂直方向的摆动一直明显，所述十字叶片状阻尼对天平横向的摆动抑制明显。所述阻尼器3的顶面与所述能量天平可动线圈2的底面之间通过连接杆互相固定。所述阻尼器3和所述连接杆的材料为膨胀系数小于5 X 10_5的非金属材料，优选陶瓷或石英。能量天平称量破码的质量范围为IOOg 1000g。本发明所提供的一种能量天平动圈组件的定位系统，具有至少两组定位装置，将定位装置中的阻尼器3对称固定在能量天平可动线圈2的底面，在装置的底座I上固定液体容器4。当所述动圈组件与和其固定相连的阻尼器3同时发生单摆、锥摆以及绕中心轴旋转运动时，所述阻尼器3和所述液体容器4之间的溶液介质向所述阻尼器3施加与运动方向相反的阻尼力，使该阻尼器3和与其固定相连的所述能量天平可动线圈2趋于静态并最终停止。具体而言，本发明的工作原理如下两个或两个以上液体阻尼式定位装置对称的与能量天平可动线圈的底面相固定连接，当所述可动线圈发生单摆、锥摆以及绕中心轴旋转运动时，并带动定位系统中的阻尼器与所述可动线圈发生同步运动，由于阻尼器和液体容器之间的介质是液体，其具有液体粘滞力的作用，会向阻尼器施加与其运动方向相反的阻尼力，使阻尼器趋于静态并最终停止，从而使动圈组件停止。使用多组液体阻尼式定位装置，可以增加介质的阻尼力，有效抑制可动线圈绕中心轴旋转运动，实现天平可动线圈的快速精密定位，无需改变可动线圈的原始位置。同时，由于液体阻尼式定位装置中，液体容器的液面始终在所述接合杆的底端和顶端之间，即使动圈组件产生竖直方向(Z方向)的微小位移，在液体容器中产生的液体浮力变化也很微�。绻枰梢愿葜柿勘冉暇纫蠼胁钩ィü捎眉す飧缮嬉遣饬砍浦毓讨卸ψ榧氖狈较�(Z方向)的微小位移，根据接合杆尺寸以及液体密度，利用公式求出浮力变化，进而实现精确补偿；如果浮力变化量很小，在满足天平质量测量精度要求的前提下，也可忽略不计。综上所述，本发明所提供的一种能量天平动圈组件的定位系统及其定位方法，采用液体阻尼式定位装置，能使能量天平基本保持静态，减少测量误差，可用于需要精密定位天平悬挂位置以及进行天平质量比较等技术领域。
图1是本发明的具有定位装置的能量天平系统的实施例1的示意图。图2是本发明的具有定位装置的能量天平系统的实施例2的示意图。图3是本发明的具有定位装置的能量天平系统的实施例3的示意图。图4是本发明的具有定位装置的能量天平系统的实施例4的示意图。附图标记说明1-底座、2_能量天平可动线圈、3_阻尼器、4_液体容器
具体实施例方式下面结合实施例，进一步说明本发明。如图1 图4所示，本发明所提供的一种能量天平动圈组件的定位系统，其与能量天平可动线圈2的底面相连接，所述定位系统包括底座I，所述定位系统还包括至少两组定位装置，每组定位装置包含一个阻尼器3和一个液体容器4，所述阻尼器3固定在所述能量天平可动线圈2的底面上，且沿其圆周等间距分布，所述液体容器4固定在所述底座I上，且所述液体容器4内包含溶液介质；所述阻尼器3置于所述液体容器4内，所述液体容器4的侧壁和底面不与所述阻尼器3接触。所述阻尼器3包括阻尼盘、接合杆和顶面，所述接合杆位于顶面和阻尼盘之间以将顶面和阻尼盘连接；所述液体容器4内溶液介质的粘性系数大于5X KT3Pa-S ;所述液体容器4内溶液介质的液面浸没所述阻尼器3的阻尼盘，即使所述阻尼盘完全浸入溶液介质内，所述接合杆横截面的直径小于2_。所述液体容器4的侧壁和底面与所述阻尼器3的阻尼盘的间隙范围为I 5_。所述阻尼器3的顶面与所述能量天平可动线圈2的底面之间通过连接杆互相固定。所述阻尼器3和所述连接杆的材料为膨胀系数小于5X 10_5的非金属材料。能量天平称量砝码的质量范围为IOOg 1000g。下面具体说明实施例1 实施例4实施例1如图1所示，在底座I上固定两个液体容器4，沿所述能量天平可动线圈2的底面圆周等间距固定两个十字叶片状阻尼器3，与底座I上的液体容器4对应，并置于上述液体容器4内，所述阻尼器3与液体容器4的侧壁及底面均保持间隙I 5_，以使阻尼器3与液体容器4不接触，所述液体容器4内液体的液面高度在所述接合杆的底端和顶端之间。当天平工作时，两组阻尼定位装置同时产生阻尼力，从而有效抑制天平悬挂组合的运动，使其趋于静态。实施例2如图2所示，在底座I上固定两个液体容器4，沿所述能量天平可动线圈2的底面圆周等间距固定两个圆杯状阻尼器3，与底座I上的液体容器4对应，并置于上述液体容器4内，所述阻尼器3与液体容器4的侧壁及底面均保持间隙I 5_，以使阻尼器3与液体容器4不接触，所述液体容器4内液体的液面高度在所述接合杆的底端和顶端之间。当天平工作时，两组阻尼定位装置同时产生阻尼力，从而有效抑制天平悬挂组合的运动，使其趋于静态。实施例3如图3所示，在底座I上固定三个液体容器4，沿所述能量天平可动线圈2的底面圆周等间距固定三个十字叶片状阻尼器3，与底座I上的液体容器4对应，并置于上述液体容器4内，所述阻尼器3与液体容器4的侧壁及底面均保持间隙I 5_，以使阻尼器3与液体容器4不接触，所述液体容器4内液体的液面高度在所述接合杆的底端和顶端之间。当天平工作时，三组阻尼定位装置同时产生阻尼力，从而有效抑制天平悬挂组合的运动，使其趋于静态。实施例4如图4所示，在底座I上固定三个液体容器4，沿所述能量天平可动线圈2的底面圆周等间距固定三个圆杯状阻尼器3，与底座I上的液体容器4对应，并置于上述液体容器4内，所述阻尼器3与液体容器4的侧壁及底面均保持间隙I 5_，以使阻尼器3与液体容器4不接触，所述液体容器4内液体的液面高度在所述接合杆的底端和顶端之间。当天平工作时，三组阻尼定位装置同时产生阻尼力，从而有效抑制天平悬挂组合的运动，使其趋于静态。
权利要求
1.一种能量天平动圈组件的定位系统，其与能量天平可动线圈(2)的底面相连接，所述定位系统包括底座(I)，所述定位系统的特征在于 其还包括至少两组定位装置，每组定位装置包含一个阻尼器(3)和一个液体容器(4)，所述阻尼器(3)固定在所述能量天平可动线圈(2)的底面上，且沿其圆周等间距分布，所述液体容器(4)固定在所述底座(I)上，且所述液体容器(4)内包含溶液介质；所述阻尼器(3)置于所述液体容器(4)内，所述液体容器(4)的侧壁和底面不与所述阻尼器(3)接触。
2.根据权利要求1所述的一种能量天平动圈组件的定位系统，其特征在于 所述阻尼器(3)包括阻尼盘、接合杆和顶面，所述接合杆位于顶面和阻尼盘之间以将顶面和阻尼盘连接； 所述液体容器(4)内包含溶液介质的粘性系数大于5X10_3Pa · s ； 所述液体容器(4)内溶液介质的液面浸没所述阻尼器(3)的阻尼盘，即使所述阻尼盘完全浸入溶液介质内，所述接合杆横截面的直径小于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种能量天平动圈组件的定位系统，其特征在于 所述定位系统包括2 3组定位装置。
4.根据权利要求1或2所述的一种能量天平动圈组件的定位系统，其特征在于 所述液体容器(4)的侧壁和底面与所述阻尼器(3)的阻尼盘的间隙范围为I 5_。
5.根据权利要求1或2所述的一种能量天平动圈组件的定位系统，其特征在于所述阻尼器(3)的阻尼盘为圆杯状或十字叶片状，所述阻尼器(3)的顶面与所述能量天平可动线圈(2)的底面之间通过连接杆互相固定。
6.根据权利要求5所述的一种能量天平动圈组件的定位系统，其特征在于 所述阻尼器(3)和所述连接杆的材料为膨胀系数小于5X 10_5的非金属材料。
7.根据权利要求6所述的一种能量天平动圈组件的定位系统，其特征在于 所述连接杆的材料为陶瓷或石英。
8.根据权利要求5所述的一种能量天平动圈组件的定位系统，其特征在于 能量天平称量破码的质量范围为IOOg 1000g。
全文摘要
本发明公开了一种能量天平动圈组件的定位系统，其与能量天平可动线圈(2)的底面相连接，其还包括至少两组定位装置，每组定位装置包含一个阻尼器(3)和一个液体容器(4)，所述阻尼器(3)固定在所述能量天平可动线圈(2)的底面上，且沿其圆周等间距分布，所述液体容器(4)固定在所述底座(1)上，且所述液体容器(4)内包含溶液介质；所述阻尼器(3)置于所述液体容器(4)内，所述液体容器(4)的侧壁和底面不与所述阻尼器(3)接触。本发明的定位系统能使能量天平基本保持静态，减少测量误差。
文档编号G01G21/00GK103063287SQ20121056390
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者鲁云峰, 贺青, 张钟华, 李正坤, 赵建亭, 韩冰, 胡鹏程, 杨宏兴 申请人:中国计量科学研究院
