力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

［摘要］力學(xué)計量經(jīng)過幾十年的發(fā)展，建立了比較完善的力學(xué)計量體系。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、微處理技術(shù)、圖像顯示技術(shù)、自動化技術(shù)、智能化技術(shù)等的廣泛應(yīng)用，力學(xué)計量有了新的飛躍，國內(nèi)外已經(jīng)建立了一大批量程寬、準(zhǔn)確度高的計量標(biāo)準(zhǔn)裝置。文章論述力學(xué)計量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

［關(guān)鍵詞］力學(xué)；力值計量；發(fā)展趨勢

［作者簡介］伍卓亮，廣州市花都質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測所，廣東廣州，510800

［中圖分類號］ TB9 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2009）04-0019-0002

一、力值計量概述

作為力值的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在上世紀(jì)70年代以前，主要采用水銀箱式和百分表式測力儀，準(zhǔn)確度低。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，一大批力基標(biāo)準(zhǔn)裝置相繼建立。目前，力基標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要結(jié)構(gòu)形式有靜重式、杠桿式、液壓式和疊加式。我國在20世紀(jì)70年代末建立起了1MN以下的力基標(biāo)準(zhǔn)裝置，隨后又建立起了5MN、20MN和30MN力基、標(biāo)準(zhǔn)裝置，并制定了相應(yīng)的檢定規(guī)程，完善了力值的量傳體系。

二、力值計量的現(xiàn)狀

（一）靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或靜重式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)，均以已知砝碼的重力直接作為基、標(biāo)準(zhǔn)力值，通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)和程序平穩(wěn)地施加到被檢定的測力儀上。靜重式就是直接加荷式， 所以有時也稱之為直接加荷式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)?？紤]到空氣浮力影響，質(zhì)量為m的砝碼在重力場中所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為：

F = m g (1-ρa(bǔ) /ρw )

式中：F——力值，N；

m——砝碼的質(zhì)量，kg；

g ——安裝地點(diǎn)的重力加速度，m/s²；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m³；

ρw ——砝碼材料的密度，kg/m³。

這種機(jī)器的力值不確定度，主要取決于砝碼質(zhì)量的不確定度、安裝地點(diǎn)重力加速度的測量不確定度、砝碼和空氣密度的測量不確定度。其計量性能還與機(jī)器的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷的加卸載方式和砝碼的穩(wěn)定性等有關(guān)。力值不確定度可達(dá)1×10 -5。

（二）杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或杠桿式標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)，利用不等臂杠桿系統(tǒng)（單級或復(fù)式），將已知砝碼的重力放大而得到標(biāo)準(zhǔn)力值，平穩(wěn)地施加到被檢定的測力儀上。其所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為：

F= kmg ( 1-ρ_a/ρw )

式中：k ——杠桿放大比，即杠桿長臂與短臂長之比。

這種機(jī)器的力值不確定度除了靜重因素外，主要取決于杠桿比的測量不確定度；其計量學(xué)性能同杠桿的構(gòu)造與組合方式、刀刃與刀承的構(gòu)造以及加工安裝的質(zhì)量有關(guān)，力值不確定度可達(dá)1×10^-4。

（三）液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)或液壓式基、標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)，以帕斯卡原理為基礎(chǔ)， 通過兩個面積不等的無機(jī)械摩擦的缸塞副，將已知砝碼的重力放大而得到基、標(biāo)準(zhǔn)力值，平穩(wěn)地施加到被檢定的測力儀上。所復(fù)現(xiàn)的力值F可表達(dá)為：

F = (W +W₀ + G) S₁/S₂ + HρgS₁ - W₁-W₂

式中：W——砝碼的重力，N；

W₀——測力活塞及其掛吊的重力，N；

G——測力儀平衡重塊的重力，N；

S₁——工作缸塞的有效面積，m²；

S₂——測力缸塞的有效面積， m²；

H——測力活塞與工作活塞底面的高度差，m；

ρ——油液密度，kg/m³；

W₁——工作活塞及其反向器的重力，N；

W₁——測力儀的重力，N。

由于這種測力機(jī)的放大比遠(yuǎn)大于杠桿式測力機(jī)，因而通常用作大力值基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。最大力值有20MN、5MN、2MN (含500 kN組)和600 kN等，力值不確定度一般可達(dá)1×10^-4。

我國大力值(不小于1 MN)國家基準(zhǔn)由最大力值為5MN和20 MN 的兩臺液壓式基準(zhǔn)測力機(jī)組成，其力值不確定度分別為2×10^-4和1×10^-4。

（四）疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

這種力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)與前述三種測力機(jī)不同，它不是采用絕對測量方法，而是采用相對比較測量方法，是用一個(組)標(biāo)準(zhǔn)較高的測力儀作為標(biāo)準(zhǔn)，通過適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)，與被檢定的測力儀串聯(lián)(疊置)后，以液壓方式或機(jī)械方式施加負(fù)荷，進(jìn)行比較測量，用以確定被檢測力儀的計量特性。其力值不確定度主要取決于標(biāo)準(zhǔn)測力儀的性能指標(biāo)、被檢測力儀的串聯(lián)方式、安裝質(zhì)量以及加荷機(jī)構(gòu)的性能等。國內(nèi)已有最大力值為500kN和1MN的疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，其力值不確定度一般可達(dá)到3×10^-4。

（五）力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)

目前，力傳感器動態(tài)校準(zhǔn)主要有兩種方法：階躍力法和正弦力法。

階躍力法是利用一個液壓力源，被測傳感器放在由脆性材料試件構(gòu)成的支梁上，當(dāng)載荷施加到一定量時，脆性材料達(dá)到強(qiáng)度極限，試件突然斷裂，傳感器受到一個下降時間為(20～50)μs的斜坡負(fù)階躍力激勵，階躍力大小由試件截面積控制。傳感器輸出信號到信號采集系統(tǒng)供處理。

正弦力法是利用一個振動臺，被測傳感器安裝在振動臺臺面上，被測傳感器頂面安裝已知質(zhì)量(m)的質(zhì)量塊，當(dāng)振動臺做正弦振動時，根據(jù)牛頓第二定律，力傳感器承受的動態(tài)力為F = ma，a可由加速度計測量。改變振動臺振動頻率，可得到不同頻率下的正弦力。

上述兩種方法都可在一定頻率和力值范圍內(nèi)使用，并能取得較好的測量結(jié)果，但仍有很大的局限性，例如頻率范圍不夠?qū)?、力值大小受限制，加之安裝方式帶來的誤差較大，所以校準(zhǔn)不確定度較低，目前仍沒有廣泛使用。

三、力值計量發(fā)展趨勢

近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信號處理技術(shù)不斷地應(yīng)用在力值計量中，其發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：

（一）自動化

充分利用當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)的最新成就，各類視窗風(fēng)格功能齊全的校準(zhǔn)軟件廣泛地應(yīng)用于各類力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中，提高了校準(zhǔn)速度，減少了人工操作，消除了人為誤差。目前推出的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)無一例外地都實現(xiàn)了自動化。

（二）動態(tài)力研究逐步深入

鑒于動態(tài)力校準(zhǔn)的重要性和目前的發(fā)展?fàn)顩r，動態(tài)力校準(zhǔn)的研究正進(jìn)一步深化，并取得了一些進(jìn)展。借助于動態(tài)信號分析和處理技術(shù)，研究動態(tài)力的發(fā)生機(jī)理及信號采集將是力值計量的主要研究方向。

（三）極值力研究

大力值(10 MN以上)和微小力值(1 N以下)標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)的研制，是今后力值計量的一個重要發(fā)展方向。