力學計量技術標準裝置的應用現(xiàn)狀及趨勢分析

崔紫楹

關鍵詞： 力學計量技術 標準裝置 應用現(xiàn)狀 趨勢分析

中圖分類號： TP393.08 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0253-04

在機械加工中，測量力的方法有很多，由于力學計量標準的不同，其測量方法與結果也有一定的差別。實際測量所需的計量單位各不相同，為充分利用力學計量標準裝置的功能，適應各種測量要求，對各種力學計量標準裝置進行分析，可提高加工機械產(chǎn)品的精確性，為生產(chǎn)過程提供質量保證，并在力學計量中使用，本文還對標準力學計量單位的適用范圍及潛在的應用進行了討論。

1 力學計量基本概念

力學計量是基于牛頓力學原理的計量系統(tǒng)，它包含了力計量、密度計量、質量計量等多個方面，計量內容和計量方法也各不相同。隨著科學技術的迅速發(fā)展，力學測量技術也隨之產(chǎn)生，應根據(jù)目前復雜、極端的應用環(huán)境要求，選用機械測量技術，以多目標速度和多分力為依據(jù)，對測量力學進行優(yōu)化，以獲得適宜的測量力學效應。隨著我國機械工業(yè)的不斷發(fā)展，科學技術水平不斷提高，機械測量設備不斷更新、優(yōu)化?，F(xiàn)有的機械測量方法有杠桿式、液壓式、傳感器式、彈簧式等，可根據(jù)不同的要求，測量的力的大小也在不斷地擴展，以適應各種測量要求。力的測量需要較高的技術指標和特定的性能，不同的測量環(huán)境，其衡量標準也不盡相同。不同的計量標準，其適用范圍和實際狀況也不盡相同。為適應實際測量的要求，力學的計量標準也得到了廣泛的發(fā)展。對機器測量設備的效能與效益的研究，將會對資訊科技的發(fā)展起到積極的推動作用[1]。

2 國內外力學計量技術標準裝置發(fā)展概況及應用現(xiàn)狀

在機械工程中，計量測試標準裝置是國家一級基礎設施。我國的計量測試標準裝置已達到國際先進水平。力學計量技術標準裝置是對力學計量技術規(guī)范的檢驗、復現(xiàn)和校準，其主要由力學試驗設備和儀器、測量分析方法和儀器組成，通常包括力學參數(shù)測試方法和測量不確定度評定方法。當前，國內計量單位制中有5 個一級、19 個二級以及80 多個三級的單位，這些級別對應有不同種類的工程設備，但這些單位都是通過相應計量技術規(guī)范進行考核的。

我國在力學計量基礎領域中最主要的標準裝置是國家一級、二級、三級和四級單位量值傳遞關系以及其他重要單位量值傳遞。目前，國內各地區(qū)對力學計量技術標準裝置都非常重視，對力學標準裝置的研制、校準技術規(guī)范進行了大量研究工作，并制訂了相應的研究與發(fā)展計劃。其中北京已經(jīng)針對力學校準設備等開展了大量工作，但在一些其他地區(qū)仍然沒有開展類似工作。國家在計量領域中建立統(tǒng)一標準和計量器具備案管理制度，是為了保證我國計量量值體系穩(wěn)定、可靠，確保量值溯源體系中各參數(shù)的量值準確性[2]。

目前，在我國工程設備中對力學參數(shù)檢測方法、實驗裝置和復現(xiàn)水平已經(jīng)達到國際先進水平，但仍存在一些問題，如實驗裝置不完善、復現(xiàn)水平較低等問題。國內外各單位研制或已頒布力學檢測方法及復現(xiàn)標準規(guī)范，并制定相應技術文件和校準方法。例如：中國科學院建立了多項國家、行業(yè)及企業(yè)級標準器，已有國家一級標準器3 項，二級標準化器1 項，國家二級、三級標準器7 項。國內多個單位研制或已頒布力學校準設備、標準器具等技術文件，例如：北京市質檢所制定了《工程設備用儀器檢定規(guī)程》等一系列技術規(guī)范；西安交通大學及其他單位研制了多種大型儀器設備和其他類型的實驗室儀器；中國科學院還制定了多項國家和行業(yè)領域校準方法、規(guī)程[3]。

3 力學計量技術標準的分類

從不同的角度出發(fā)，計量技術標準可以分為測量基準、標準、方法和參考數(shù)據(jù)等。在對力學計量技術標準進行分類的時候，需要綜合考慮各類標準的作用以及特點。

首先，測量基準主要是在對測量數(shù)據(jù)進行比對分析以后得出，其主要分為長度和幾何尺寸基準兩大類。長度測量的基礎包括圓周和半徑等。幾何尺寸基準也分為幾何尺寸、形狀和尺度等，其中形狀和尺度又有多種分類方法。其次，測量方法主要包括溫度測定方法、應力松弛測定方法、變形測定方法和位移測量方法等，其中又包含了變形參數(shù)測量技術以及溫度變化的控制標準等。再次，參考數(shù)據(jù)主要指對儀器設備或者測量儀器產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)值，其一般有校準周期和準確度等。最后，測量結果的解釋，通常指通過對實驗值進行分析與解釋而得出的結論。

從力學計量技術標準應用效果來看，可以分為兩類：一種是在實驗室內利用現(xiàn)有的計量器具或技術規(guī)范以及其他工具來進行計量測試，這種類型就屬于力學計量技術標準當中最基本、最重要的一類；另一種是在實驗室外進行研究或應用的力學計量技術標準。其主要是利用現(xiàn)有儀器設備來完成對不同方面的研究分析工作等。

4 力學計量標準裝置的應用類型分析

4.1 靜重式力基、標準機

靜重力基、標準機主要以重物的力量為基準力值，并利用一定的程序，運用靜態(tài)力基、標準機相關程序及測力儀對其進行監(jiān)控，在靜態(tài)力和重力檢測領域，采用標準機進行力值測量，可以提高力值的精度。一般情況下，在靜重式力基、標準機等行業(yè)中使用的頻率較高，其主要原因在于，在重力測量技術中，采用的是力量儀的標準設備，它的精度更高，而且它的測量困難也更少，因此，在重力測量中，它更適宜于采用靜重式力基、標準機。靜重式力基、標準機在力學計量中占有很大的比例，由于它的特殊性和優(yōu)越性，在各種工業(yè)領域都有很高的使用頻率[4]。

4.2 杠桿式力標準裝置

杠桿式力標準裝置是一種以杠桿為基本原理實現(xiàn)力學計量的標準裝置，這是最常用的計量裝置。在目前的技術發(fā)展迅速的今天，杠桿式力標準裝置的使用和特性進一步發(fā)展。采用杠桿原理，能對受力進行變換，并能精確地完成平衡狀態(tài)下的受力測量。杠桿式力標準裝置采用了力矩和為零的基本原則，并結合實際使用的資料，具有較高的測量精度。

杠桿與重量變換裝置可以將物體施加到物體上，通過累積砝碼得到物體的應力狀態(tài)。杠桿式力標準裝置能更直觀、精確地計算出受力值。在杠桿式力標準裝置的實際工作中，利用砝碼來達到與被測量對象的平衡，由其產(chǎn)生真實的力，在不平衡的情況下，再加上一個砝碼來達到平衡。觀測人員決定被測量對象的作用力，其數(shù)值就是被測量的對象。在使用時，僅需使用一個砝碼和杠桿轉換裝置即可完成對杠桿的實際作用力?？傮w來說，其應用軟件是非常簡單和直觀的，而且在應用階段就能很好地運行游戲。采用把手式力標準器，使其測量的準確度和質量得到了極大的改善。

杠桿式力標準裝置主要應用在一個或多個不等臂的操縱桿上。它的工作原理是把已知的固體重力進行放大，然后把它加到測力儀上，從而得到測力儀的力值。杠桿原理與力學的基本原理相結合，可以極大地縮短傳統(tǒng)的測力儀的工作步驟，從而使整個力學計量程序變得簡單。力學計量方法與操作簡單，力測量精度不高，采用常規(guī)的機械測量設備，其誤差最大可達到1×10^-4。在一般條件下，使用靜重式力基、標準機比杠桿式力標準裝置要少。隨著對測力精度的要求越來越高，測力技術標準單元的應用范圍也越來越窄。很多力學計量都不要求有很高的精度，因而在一般力值測量中，杠桿式力標準機的使用更為頻繁，并且不易受外部環(huán)境等因素的影響。杠桿式力標準機只要在適當?shù)膱龊鲜褂酶軛U式力標準機，就能有效地減少機械測量人員的質量[5]。

4.3 傳感式力標準裝置

在實際生產(chǎn)中，傳感式力標準裝置的使用較為普遍。由于采用了完整的測量體系，采用高精度的傳感信號實現(xiàn)了真實力值的傳遞。該測量系統(tǒng)可對傳感器的軟件及附屬組件進行定位，利用測量對象的重量、質量，對測量對象的彈性變形進行科學評價，利用輸出信號實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集，并對質量和傳感部件的彈性變化進行了對比。在質量測量和工作結束后，該傳感器的力量標準單位才能在實踐中得到應用，由信號輸出所采集的資料所得到的測量值更為精確?，F(xiàn)在，最常用的是壓縮式壓力傳感器，相對于常規(guī)的桿式力標準裝置，傳感式力標準裝置的工作原理要復雜得多，雖然在實踐中具有一定的實用價值，但并不具有絕對優(yōu)勢。

4.4 彈簧式力標準裝置

彈簧式力標準裝置利用彈簧傳感元件對被測對象進行測量。測量對象的實際數(shù)據(jù)由彈性敏感元件獲取。彈簧能準確地測量被測對象的壓力，在實踐中取得了很好的效果，為了得到實際測量對象的尺寸，了解被測量對象的身體強度和彈性部件的真實關系，通常用內襯材料波紋管。該方法測量的彈性材料精度較高。相對于常規(guī)的力學計量標準設備，它的運行更為復雜，具有廣泛的使用范圍和較高的精度，可以在實際應用中發(fā)揮重要作用。但是，在實際操作中，必須掌握標準設備的使用方法。彈性式壓力標準設備由于其復雜程度和復雜程度而受到限制。

4.5 液壓式力標準裝置

液壓式力標準裝置也是一種很普遍的標準測量儀器。這種儀器通過帕斯卡設備將壓力加到密封的液體上，因此可以測量被測物體，可以在顯示器上看見一個固定的數(shù)值，實際數(shù)據(jù)是由標準重量和被測物體的對比得到的。相對于其他的計量儀器，它具有廣泛的應用范圍和廣泛的特點，在其他標準設備不能滿足要求的情況下，采用液壓動力標準設備，其測量精度可達到20 mN。在采用常規(guī)液壓動力儀進行受測物的受力時，應嚴格按其應用方法來確定受測物的受力范圍，并使其規(guī)范化。相對于彈性壓力標準機構，它的使用更便捷、更靈活，已被廣泛地應用于機械制造行業(yè)。

4.6 疊加式力標準裝置

疊加式力標準裝置采用一套高標準的疊加式功率計，利用機械或液壓的方法對測量結構進行載荷，并對其進行對比，得出功率值的檢測結果。對于疊合力標準裝置，最常用的最大受力數(shù)據(jù)范圍為1 mN 至500 kN。通常，在力值測試場合為重力場、復雜測試環(huán)境時，可選用靜態(tài)力標準機、杠桿式力標準機、液壓式力標準機。僅當疊加力測量方法不能滿足上述兩種標準的要求時，采用疊加力標準儀進行力值測試。疊加力標準器的受力精度僅取決于加載方式、串聯(lián)方式、安裝質量和自身性能，在實際測試中可以根據(jù)上述精度影響因素減小測量誤差。

5 力學計量標準裝置的應用發(fā)展趨勢

對力學計量標準裝置的發(fā)展狀況進行分析，有助于推動其應用，有助于力測量，為實踐工作提供動力?，F(xiàn)有的測量設備相對于常規(guī)的機械測量設備有了較大的發(fā)展和優(yōu)化。因此，要適應力學計量工作的實際需求，推動技術革新與創(chuàng)新，必須對其發(fā)展趨勢進行深入研究。

5.1 自動化發(fā)展

科技的飛速發(fā)展促進了自動化技術的發(fā)展，使力量計能夠更好地滿足各種要求，從而使其更精確。自動控制技術可以方便地測量，保證測量的準確性和質量?？萍寂c自動化技術的結合，能更好地改善機器制造的效能，并能克服傳統(tǒng)工藝的繁雜與多元化，解決工藝上的低效率問題，使之能與生產(chǎn)中的研發(fā)保持協(xié)調，降低人力、物力的損耗，提高社會及經(jīng)濟效益，并能有效地彌補工程中的失誤。智能設計方案能夠滿足實際工作的要求，使資料更為可靠、內容更為完備，是今后的力學計量標準設備發(fā)展的方向[6]。

機械測量技術標準化設備的自動化能夠很好地解決人工造成的誤差問題。力學計量技術標準化裝置難以完全脫離人工干預，只要有人工參與，就會產(chǎn)生誤差，但與人工的誤差相比，力學計量技術標準設備的誤差幾乎可以忽略不計。在將來，力學計量技術標準化單位將會采用自動化的方法，以改善力測量的準確度，并擴展各種力學計量技術中的標準件。

5.2 擴展的測量范圍

隨著機械現(xiàn)代化，在機械加工過程中，必須測量力的大小。為了滿足當前的測量要求，對力學計量儀器做了進一步的優(yōu)化和改進，以適應更大的測量范圍。由于測量環(huán)境的限制，其測量范圍必然會影響其正常工作。為充分利用力學計量標準裝置的優(yōu)勢，在以后的設計中拓寬測量范圍，提高儀器的使用性能，滿足各種測量需求，突破測量的限制，使其更好地應用到生產(chǎn)中去。采用機械式控制技術，可以達到較低或較大的強度。拓展了測量界，擴大了計量裝置的應用領域，擴大了計量裝置的應用領域，成為今后的發(fā)展方向。

5.3 動態(tài)力

力學計量技術標準設備可以用于動態(tài)力的測定，但不能保證標準件的精度。今后，在力敏元件的動態(tài)性能標定方面，標準的機械測量儀器研究者將會加大研發(fā)投入。采用傳感器及相應的輔助裝置，使常規(guī)的機械測量裝置既能實現(xiàn)自動控制，又能進行動態(tài)力的測量。

5.4 激光技術的應用

在力學計量技術不斷創(chuàng)新與發(fā)展的進程中，采用激光技術可以提高測量精度，使用更方便，能夠降低外界對信號的干擾與影響。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的特性，能夠確保測量過程中的力、時間、精度、無外界干擾、操作簡單。激光應用是當今世界發(fā)展的一個重要方面。同時，在信號傳遞過程中，及時發(fā)現(xiàn)缺陷和問題，也能有效地防止測量錯誤，提高檢測的準確度和質量。

5.5 信號傳感技術的發(fā)展

目前，在常規(guī)的機械測量中，采用了傳感技術。機械測量規(guī)范技術的高精度為力量測帶來了便捷性，強化傳感技術會有更好的效果。由于其靈敏度高、測量精度高，已成為當前應用領域的重要組成部分。加強傳感技術是機械創(chuàng)新與技術革新的一個關鍵環(huán)節(jié)。

5.6 增加標準的靈敏度

在測力時，通過增加標定的靈敏度，可以在某種程度上改善測力的精準度。目前，計算機技術與標準機械裝置的發(fā)展，為及時反饋力數(shù)值信息，減少人為誤差，提高測量效率，提供了快速、準確的解決方法。隨著現(xiàn)代機械化技術的不斷發(fā)展，儀器的檢測精度不斷提高，儀器的科學性和有效性得到了進一步提高。將力學測量結果與機械測量結果相結合，有利于在機械加工中進行實際操作，增加了信息處理技術，提高了數(shù)據(jù)的敏感性，為力測量系統(tǒng)的使用提供了便利。

6 結語

綜上所述，力學計量技術已廣泛應用于各個行業(yè)，技術的發(fā)展使得力學計量技術的技術水平也隨之提高，在新的形勢下，更多的先進技術與力學測量技術相結合，達到了更高的水平和更高的效率，有力地促進了力學測量技術的發(fā)展。因此，有關部門要在這方面做一些探討，以便滿足力學計量的需要，推動力學計量工作的迅速發(fā)展。