本发明涉及一种力测量方法和装置，特别是一种采用非接触位移传感器，通过测量承受被测力的机架立架上两点之间的相对位移，采用计算机系统进行数据采集、处理，并能克服温度漂移等问题的力测量方法和装置。 已有技术适用于力测量的方法和装置是用置于力传递线上的电阻应变式、压磁式等的力传感器进行测量，其缺点是：全部被测力都作用在力传感器上（其量值常达几百吨，甚至几千吨，有时还有扭力作用）;工作环境恶劣（例如：轧机常工作在高温，水湿，有蒸汽、油污、氧化皮和灰尘的环境中）。通常，测量装置尺寸庞大，结构复杂、成本高，使用寿命短，而且安装和维修影响生产，测量装置需根据各工作机的具体情况专门设计制造。
已有技术中国专利CN86105879为克服上述缺点，提出过一种附着式测力传感器结构，其主要特征是：由链式连接的三段组合式传感器本体，是进行机械放大的电阻应变式传感器;采用双球铰撑机构将传感器本体撑挂在机架立柱的中性面上;利用液体保护介质的均温作用，使其在温度变化大的环境下工作;采用一种微调装置调整预应力并进行模拟标定。上述附着式测力传感器仍存在若干缺点和问题，尤其是：该种传感器仍然受力，虽然只是承受被测力的很小部分，但是弹性元件和电阻应变计的应力和应变水平与传统力传感器并无不同，从该意义上来说，传感器的受力状况并未得到根本的改善;而且，传感器的结构复杂，机械元件多，力的传递面多达十七对，这将影响其工作的稳定性和可靠性;其次，由于传感器本体撑挂在机架的中性面上，而机架的中性面很难准确确定，尤其是许多机架的断面形状比较复杂多变，所以由于中性面难以准确确定，这将影响测量的准确度，甚至有可能使这种传感器不能应用;利用液体保护介质地均温作用，使传感器在温度变化大的恶劣环境下能正常工作，然而，这种均温作用并不能排除温度变化对测量的干扰，特别是在热加工时，机架的热应变会使传感器产生的应变达到被测力使该传感器产生应变的同一数量级;此外，还存在附着式力传感器的标定问题。对于上述这些已有技术中存在的问题尚待进一步解决。
本发明的目的在于提供一种传感器完全不受力、非接触式的、稳定可靠和准确度高的力测量方法和装置，这种方法和装置能适用于机架立柱形状复杂多变的情况下，不受温度变化和其它干扰的影响，还具有结构简单、重量尺寸小、造价低等优点。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
承受被测力的机架立柱上在轴线方向相距L的两点之间的相对位移量为△L：
△L＝ (σ)/(E) L 〔1〕
式中：σ：机架立柱测量部位的等效应力，
E：机架立柱材料的弹性模量。
对于闭式机架（见附图1），机架立柱1上测量部位的等效应力σ为：
σ= (F)/(2A) ± (MoZ)/(J2) 〔2〕
式中：F：机架所受的工作力，即被测力;
A：机架立柱1测量部位的等效截面积;
E：检测装置3的安装位置距机架立柱等效中性面2的距离;
J2：机架立柱1断面对等效中性面2的等效惯性矩;
Mo：机架的静不定力矩，
MO : = (Fl1)/8 · 1/()
1+ (l2J1)/(l1J2) ［3］
式中：l1：机架横梁的长度;
l2：机架立柱1的长度;
J1：机架横梁断面对其中性面的等效惯性矩。
将〔3〕代入〔2〕得到：
σ=[12A±l1Z‾]F---(4)]]>8J2(1+l2J1l1J2)]]>
将〔4〕代入〔1〕得到：
ΔL=LE[12A±l1Z‾]F---(5)]]>8J2(1+l2J1l1J2)]]>
由此，在机架形状尺寸一定时，
LE[12A±l1Z‾]]]>8J2(1+l2J1l1J2)]]>
为一常数K，∴△L＝KF。
则机架立柱1上相距L的两点a，b之间的相对伸长量△L与被测力F成线性比例关系。
对于悬臂式机架，（见附图2），机架立柱21上测量部位的等效应力σ为：
σ＝ (F)/(A) ± (MZ)/() 〔6〕
式中：
F：机架所承受的工作力，即被测力，
A：机架立柱21测量部位的等效截面积，
E：检测装置23安装位置距机架立柱21等效中性面22的距离，
J：机架立柱21断面对其等效中性面22的等效惯性矩：
M：机架立柱21所受的弯矩，
M＝FY 〔7〕
此处：Y：机架所受工作力距机架立柱21等效中性面22的距离。
将〔7〕和〔6〕代入〔1〕式得到：
△L＝ (L)/(E) （ 1/(A) ± (YZ)/(J) ）F 〔8〕
因此，在机架形状尺寸一定时， (L)/(E) （ 1/(A) ± (YZ)/(J) ）为一常数K，则△L＝KF。所以，机架立柱21上相距L的两点之间的相对伸长量△L也与被测力F成线性比例关系。
机架立柱的实际应力水平随不同的工作机、立柱上不同截面及检测装置距中性面的距离不同而异，一般在5-25MPa的范围内，实际应用时，尽可能取应力较大的部位安装检测装置。如果机架立柱应力按其平均水平为15MPa计算，则距离L为200mm的机架立柱上两点之间的相对位移△L按〔1〕式计算△L＝0.015mm。
检测装置可以采用商业出售的电涡流、电感、电容等非接触位移传感器来测量上述的相对位移量。可以取得300mv的电压输出水平。
在实际测量中，当温度变化时，机架立柱上两点之间的相对位移同样会发生变化，尤其是在高温作业时，该相对位移甚至可达到在被测力作用下所产生的相对位移的同一数量级，但是，这种变化是缓慢进行的。本发明利用这一特点，采用计算机技术，通过零点自动校正的方法来消除这种影响。
计算机零点自动校正的原理可以参见附图3作如下说明：测量时间由零至tA1，此时机架无被测力作用，但由于温度变化引起机架立柱上相距为L的两点之间产生相对位移，由此，传感器输出电压由零缓慢变化至UA1，这时可利用计算机系统，在零输出条件下，以采样信号上升速率△U/△t小于设定值a，或采样增量△U＝Ui-Ui-1小于设定值b为逻辑条件进行判断，从而进行零点自动校正，输出保持为零。在时间到达tA1时，被测力作用于机架，传感器产生突变电压信号，此时，利用机算机系统，在零输出条件下，以采样电压上升速率△U/△t大于设定值a，或采样增量△U＝Ui-Ui-1大于设定值b为逻辑条件，开始输出与采样电压成线性比例关系的被测力值，供显示记录，并以UA为测量零点。
当时间在tA1-tB1时，利用计算机系统，不在零输出条件下，以△U＝Ui-UA1大于设定值C为逻辑条件，无论被测力值上升、下降，及其升降如何，都输出与采样电压成线性比例关系的被测力值。时间到tB1时，被测力值消除，这时，不在零输出条件下，以△U＝Ui-UA1小于设定值C为逻辑条件进行判断，又开始零点自动校正，使输出为零值。在tA2时，被测力再次作用，工作情况与前述相同，但此时的测量零点不再是UA1，而是UA2，在被测力消除后，恢复零点自动校正的逻辑条件不再是Ui-UA1，小于设定值C，而是Ui-UA2小于设定值C。
本发明采用直接标定的方法，见附图4，标定时，在传统的力传递线安置力传感器的位置上安装标准力传感器，如轧机则在压下螺丝10和轧辊轴承座11之间临时安置标准传感器12，用其指示已知的标准力，从而标定本发明的力测量装置的输出入特性。
综上所述，本发明的力测量方法中采用电涡流、电感、电容等非接触位移传感器，该传感器安装在承受被测力的机架立柱沿立柱轴线方向的不限于中性面的任意一个认为方便的位置上;通过测量承受被测力的机架立柱上距离为L的两点之间的相对位移量来测量被测力值;采用计算机系统排除机架立柱因温度变化而引起的胀缩而产生的缓慢信号干扰，从而自动进行零值校正;同时采用临时安装在传统的力传感器的安装位置上（对轧机来说，则安装在压下螺丝和轧辊轴承座之间）上的标准力传感器对本发明的力测量装置的输出入特性进行现场直接的标定。
用于本发明的力测量装置由检测装置，计算机系统，接口电路以及临时标定用的标准力传感器所组成。
检测装置是由非接触位移传感器及其相对运动的两部分各自的支座组成。检测装置的主体是商业上出售的电涡流、电感、电容等非接触位移传感器，传感器相对运动的两部分分别由各自的支座用螺钉固定，其中一个支座带有传感器原始相对位置的调节部件，相距为L距离的两个支座分别固定安装在承受被测力的机架立柱沿轴线方向不限于中性面的任意合适的位置上。
计算机系统及接口电路可以作为非接触力测量装置内装的，也可以作为计算机监制、自动控制系统的组成部分。具体的工作情况将在下文描述。计算机系统可以采用单板机系统，单片计算机系统、总线工业控制计算机系统，或通用计算机系统。
接口电路由阻抗变换器、多路开关、放大器、限幅器、电平转换电路、A/D变换器、D/A变换器和显示用的指示表头等组成。
非接触位移传感器输出的电压信号经过阻抗变换器送至多路开关，它由计算机送出的信号控制。多路开关输出的信号经过两级电压放大后，输出A/D变换器需要的电压信号。为了保护A/D变换器，在放大器的输出端接入限幅电路。第一级放大器的输出端和多路开关的一个输入端上加一个可调定的偏置电压，用来完成在大的传感器输出的电压基础上测量小的变化量，以及对放大器的漂移进行数字调零。第二级放大器的电位器调整满度输出和放大器的零点。放大器输出的模拟信号经过A/D变换器变成数字量进入计算机，上述A/D通道转换由计算机控制自动地实现。数据采集周期由计算机硬件定时器和软件共同控制。计算机系统经数据处理输出数字信号，也可经D/A变换器输出模拟信号，进行数字显示或用指针式表头指示被测量值，或参与自动化系统的控制。
标准力传感器临时安装在承受被测力的机架力传递线上传统的测力传感器的位置处，用其指示的标准力来标定本发明的力测量装置的输出入特性。
图1闭式机架立柱上任意点应力示意图。
图2悬臂式机架立柱上任意点应力示意图。
图3计算机自动校正零点消除温飘原理图。
图4a非接触位移传感器在机架立柱上的安装位置，图4b为其连接关系。
图5计算机系统硬件及接口电路。
图6接口电路原理图。
图7计算机软件系统流程图。
以轧机的力测量为例，下面将结合附图和实施例对本发明内容作进一步的描述。
本发明所说的非接触力测量装置是采用DA-0.25型高精度直流差动变压器作为在机架立柱上相距为L的两点之间相对位移的测量的主体。所采用的传感器的微电子电路全部封装在传感器体内，只需输入±9V～±15V直流电源电压即可输出与相对位移成线性比例关系的电压信号。测量位移范围为±0.25mm，输出电压为±5V，线性度为0.05%。机架立柱应力按平均水平15MPa计算，距离L为200mm的立柱上两点之间的相对位移△L为0.015mm，此时传感器的输出电压为300mv。
图4a-b表示检测装置在承受被测力的机架立柱上的安装位置以及他们的连接关系。检测装置包括：非接触位移传感器（本实施例采用直流差动变压器）的相对运动的两部分为器体3a和芯杆3b，他们的支座为支座4和5，紧固螺钉6和8，保护罩7及其固定螺钉9。其中，器体3a用螺钉6紧固在器体支座5上，芯杆3b与其支座4为螺纹连接，并用紧固螺钉8固定。非接触位移传感器通过支座4、5在机架上焊接的方式，安装在机架立柱1上不限于中性面的沿机架立柱轴线方向任意一认为方便的位置上，两支座的距离为L＝200mm。非接触位移传感器的器体3a与芯杆3b之间的原始相对位置可以通过旋转芯杆3b，利用芯杆3b与其支座4之间的螺纹进行调节。检测装置的外部有防撞和防尘的保护罩7，该罩用螺钉9固定在机架立柱1上。
在本实施例中，作标定用的临时安装的标准力传感器12被安装在压下螺丝10与轧辊轴承座11之间，用该传感器指示的已知标准力现场直接标定本发明的力测量装置的输出入特性。
附图5表示计算机系统的硬件和接口电路。它由模拟开关CD4051，模拟放大器等接口电路，包括MCS-51单片机、数据存储器静态RAM6116、程序存储器EPROM2764、定时器和I/o扩展接口电路8155、A/D转换器0809、D/A转换器0832等的商业出售的MCS-51用户应用极，指示表头，调试用键盘及显示器等组成。
附图6所示的接口电路由阻抗变换器、 多路开关、两级放大器、限幅电路、电平转换电路等组成。由非接触位移传感器输出的电压信号经过阻抗变换器送至多路开关的输入端，多路开关采用商业出售的CD4051集成电路，它由计算机送出的信号进行控制、从而完成多到一的转换。多路开关输出的信号经过两级电压放大后， 输出A/D转换器所需的0-5V电压信号。 为了保护A/D转换器，在其放大器的输出端接入限幅电路。所用的电平转换电路采用商业出售的74LS07集成电路。 完成TTL电平到MoS电平之间的转换。第一级放大器的输入端的正端和多路开关的一个输入端加上一个可调定的偏置电压，用来完成在大的传感器输出电压的基础上测量小的变化量和对放大器的漂移进行数字调零。 第二级放大器的Rw1电位器用来调整其灵敏度或满度输出，Rw2电位器用来调整放大器的零点。
模拟放大器输出的0-5V模拟信号经A/D转换器变成数字量进入计算机（见图5）。所用的A/D转换器可为8路、8位或12位精度， 如本例采用0809集成电路。A/D通道转换由微机系统自动实现控制。
数据采样周期由计算机硬件定时器和软件共同控制，它可以在0.01ms-0.5s之淇傻≈，以适应不同的检测对象和干扰信号的特点。A/D转换器以中断的方式与主机联系，完成数据采样。
计算机系统经过数据处理输出数字信号， 可经D/A转换器，输出模拟信号进行数字显示，或接指针式表头指示被测力数值， 也可接到自动化仪表控制系统。D/A转换器也可为8路， 8位或12位精度，如本例采用0832集成电路。本实施例中采用指针式表头指示被测力值。这种指示比较直观。
附图7表示计算机系统软件流程图。其中，系统软件以模块化方式设计，便于系统修改和扩充。软件以汇编语言编程、高效、快速运行。
主程序模块进行计算机硬件系统及各接口电路的初始化编程，提供软件运行环境，成系统检测参数，如：采样时间、判断被测力开始作用的采样增量常数b和复零常数c的初始化设定。采样时间，常数b和c根据被测信号和温度信号的上升和下降速率来确定。
利用时钟中断服务程序来控制系统输入采样时间、控制输入数据的波动处理，并用来控制定时输出。
A/D转换器的转换结束信号，以中断方式使系统进入多路数据采集及放大器数字校零模块，该模块采集有效信号和偏置电压信号，分别进行数字调零处理，以消除输入电路和放大器的漂移影响。
经校正的输入信号由数字滤波模块进行数字滤 波 处理，采用“防脉冲干扰平均值法”的滤波算法，可以有效地消除短脉冲的干扰，和杂散噪声干扰的影响。基本算法是取N次输入值， 去除最大值和最小值，其余输入值取平均值，N值可在初始化时设定，以满足不同应用环境的要求。采用此种算法可提高系统测量的信噪比。
软件系统的核心是对热输出自校零及有关的输 出 模块，通过软件系统对经过预处理的传感器输入信号进行处理、消除机架及传感器等因温度变化引起的传感器零点的漂移，从而产生有效的信号输出。
综上所述，本发明非接触力测量方法和测量装置除了上述的各种优点之外，很重要一点在于它采用计算机技术完全排除了温度变化对测量的干扰和其它干扰，用直接标定方法提高了测量精度，综合测量精度可优于1%;而且测量装置使用维护可以不影响生产和具有通用性，可广泛用于有色或钢铁金属加工企业及机械制造企业的轧机、锻压机、压力机、冲剪机等由机架承受被测力的工作机械的力测量。