力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢分析

張保勇，梁 勇

（濟(jì)寧市質(zhì)量計(jì)量檢驗(yàn)檢測研究院，山東 濟(jì)寧 272000）

制造業(yè)是國家支柱產(chǎn)業(yè)之一，力學(xué)計(jì)量在制造業(yè)中的應(yīng)用極為常見，可見力學(xué)計(jì)量對國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性。而力學(xué)計(jì)量主要通過國家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)裝置對不同場景下的力值等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量。隨著制造業(yè)不斷發(fā)展，力學(xué)計(jì)量需求越來越復(fù)雜，簡單力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置無法對由不同力、振動、速度、振源構(gòu)成的復(fù)雜力值進(jìn)行準(zhǔn)確測量。于是在國家有關(guān)部門和行業(yè)專業(yè)人員的共同努力下對力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行優(yōu)化和迭代，目前已經(jīng)能夠運(yùn)用力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置測量大扭矩力值、多分量力值、高頻液體質(zhì)點(diǎn)振動力值、復(fù)雜環(huán)境力值、多目標(biāo)速度振源力值、極低值高準(zhǔn)確度力值。之所以力學(xué)計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)體系能夠全面完善，是因?yàn)榱W(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置已經(jīng)可以在多分量、多動態(tài)、復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中得到準(zhǔn)確力值測量結(jié)果，直接推動了有力值測量有關(guān)各行各業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

1 力學(xué)計(jì)量基本概念

力學(xué)計(jì)量主要通過力值的傳遞通過力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置等工具得到較為準(zhǔn)確的力值測量結(jié)果。改革開放以前我國工業(yè)體系比較落后，力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和具體裝置比較落后，其中最常見的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置是百分表式測力儀，只能在對受力分析單一、靜態(tài)、簡單環(huán)境中的力值進(jìn)行測量，即使這樣也無法保障力值測量結(jié)果的準(zhǔn)確率。而現(xiàn)階段我國主要工業(yè)體系趨近完善，目前在精確度要求較高、靜態(tài)力測量領(lǐng)域和重力監(jiān)測領(lǐng)域中主要采用靜重式力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，在精確度要求較低、測量環(huán)境比較復(fù)雜的力值測量領(lǐng)域中主要采用杠桿式力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，在精確度要求較高、特定壓力測量領(lǐng)域中主要采用液壓式力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，在多分量、多動態(tài)、環(huán)境比較復(fù)雜的力值測量領(lǐng)域中主要應(yīng)用疊加式力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，在動態(tài)化、多頻率下壓力測量領(lǐng)域中主要應(yīng)用傳感器力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置。目前我國1 MN、5 MN力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用頻率最高，技術(shù)研發(fā)投入力度較大，已經(jīng)取得一定成就，但是力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用頻率較低，技術(shù)研發(fā)投入力度較小，目前未能達(dá)到與世界接軌水平。

2 力學(xué)計(jì)量與力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的聯(lián)系

力學(xué)計(jì)量的目的是準(zhǔn)確得到質(zhì)量、力值、扭矩、硬度、壓力、真空、震動、沖擊、轉(zhuǎn)速、恒加速度、流量、流速、容量各個(gè)力學(xué)參數(shù)的測量結(jié)果，力學(xué)參數(shù)和校準(zhǔn)過程中需使用力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置作為測量和校準(zhǔn)工具，力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的精確度越高最終力學(xué)計(jì)量結(jié)果越精準(zhǔn)。力學(xué)計(jì)量主要在機(jī)械制造業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用，這些領(lǐng)域的特點(diǎn)是對力學(xué)計(jì)量結(jié)果精確度的要求比較高。力學(xué)計(jì)量應(yīng)用領(lǐng)域逐漸向高精尖發(fā)展的同時(shí)，必須不斷優(yōu)化高精度、低精度、靜態(tài)力、動態(tài)力、單分量、多分量、常見領(lǐng)域。特殊領(lǐng)域中的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，使力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置達(dá)到與世界接軌水平，因此二者是相互發(fā)展、相互促進(jìn)的關(guān)系。

3 力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀

自改革開放以來力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置不斷研發(fā)、迭代，進(jìn)步速度非常快，舊有測力儀不斷被新型力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置所取代。最新的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置既可以適用單分量、靜態(tài)、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，又可以在多分量、動態(tài)、復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中廣泛使用。目前靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在精確度要求較高的靜態(tài)力測量和重力監(jiān)測領(lǐng)域；杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在精確度要求不高且測量環(huán)境比較復(fù)雜的常見力值測量領(lǐng)域；液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在精確度要求較高的特定環(huán)境壓力測量領(lǐng)域；疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在受力分析復(fù)雜、動態(tài)化、測量環(huán)境復(fù)雜下的綜合力值測量領(lǐng)域；力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)主要應(yīng)用在動態(tài)力、多頻率、精確度要求低的壓力測量領(lǐng)域，但是后來該力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置具有在高精度力值測量領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。各個(gè)力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確性存在一定差異，具體應(yīng)用現(xiàn)狀如下：

3.1 靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要將重量固定的砝碼動力作為標(biāo)準(zhǔn)力值，然后通過特定程序應(yīng)用靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)相關(guān)程序和測力儀進(jìn)行監(jiān)測，最后才能提高靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在靜態(tài)力、重力檢測領(lǐng)域中力值測量精確度。正常情況下重力檢測領(lǐng)域中各行各業(yè)應(yīng)用靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的頻率比較高，其根本原因是該在力計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置在重力檢測中的應(yīng)用效果比較精準(zhǔn)且測量難度較小，重力測量中更適合應(yīng)用靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。力學(xué)計(jì)量中重力檢測所占比重較大，而且靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)可以一直保持較高測量精度，其專業(yè)性和優(yōu)越性使靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在各個(gè)行業(yè)重力檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用頻率居高不下。靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在重力監(jiān)測領(lǐng)域中的力值測量公式如下所示：

公式（1）中各指標(biāo)意義如下：F表示重力監(jiān)測領(lǐng)域中的力值測量結(jié)果，單位為N；m表示重力場中靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)所用砝碼的固定質(zhì)量，單位為kg；g表示重力加速度，單位為m/s2；ρ1和ρ2分別表示重力場中的空氣密度和砝碼的密度，單位為kg/m3。

3.2 杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用于單級或復(fù)式不等臂杠桿系統(tǒng)，工作原理是將已知的固定砝碼重力放大，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)力值后將其施加到測力儀對待檢測機(jī)構(gòu)力值進(jìn)行測量。杠桿原理和力學(xué)計(jì)量原理相融合可以大幅度減少力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的力值測量步驟，精簡了整個(gè)力學(xué)計(jì)量流程。但是力學(xué)計(jì)量存在流程簡單、操作簡便的問題，杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)測量精確度低的問題難以避免，該力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置最大不確定度可達(dá)1×10-4。正常情況下，靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的適用場景少于杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，力值測量精確度要求越高則表示該力計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的適用場景越少，很多力學(xué)測量并不需要得到非常精確的測量結(jié)果。因此綜合考慮下杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在通用力值測量場景中的應(yīng)用頻率更高，而且不容易受到外界環(huán)境等因素的影響。由于杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)只需在合適場景中應(yīng)用杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)即可有效縮減力學(xué)測量工質(zhì)量。杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在大部分通用力值測量領(lǐng)域中的公式如下所示：

公式（2）中各指標(biāo)意義如下：F、m、g、ρ1和ρ2各指標(biāo)意義與公式（1）完全一致；k表示杠桿長臂長度與杠桿斷臂長度的比值。

3.3 液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要通過兩個(gè)面積不一致且無機(jī)械摩擦的缸塞副和砝碼固定重量值得到標(biāo)準(zhǔn)力值，然后將標(biāo)準(zhǔn)力值施加到測力儀上即可得到特定壓力測量領(lǐng)域中的力值測量結(jié)果。在精確度要求較高、特定壓力測量領(lǐng)域中主要采用液壓式力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，壓力檢測中應(yīng)用此類力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的效果優(yōu)于其他力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置類型，液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)不確定度最小可達(dá)1×10-4、最大可達(dá)2×10-4。雖然液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的應(yīng)用場景比較有限，但是在特定場景中應(yīng)用液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是非常必要的，液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)無法被其他力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置替代。正常情況下，液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在壓力測量中的力值測量精確度更高，而靜重式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)雖然可以用于壓力監(jiān)測，但是無法得到較為準(zhǔn)確的力值測量結(jié)果，因此當(dāng)前液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)逐漸成為壓力檢測中應(yīng)用頻率最高的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置。液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值測量公式如下所示：

公式（3）中各指標(biāo)意義如下：F指標(biāo)意義與公式（1）、（2）一致；W1表示壓力測量中砝碼自身重力，單位為N；W2表示該力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置測力活塞和掛吊的重力，單位為N；W3表示該力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置工作活塞和反向器的重力，單位為N；W4表示壓力測量中測力儀的重力，單位為N；G表示平衡重塊的重力，單位為N；S1、S2分別表示該力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置工作缸塞和測力缸塞的有效面積，單位為m2；H表示測力活塞與工作活塞的距離，單位為m；ρ表示壓力測量中液壓式力基、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油液的密度，單位為kg/m3；

3.4 疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用一組標(biāo)準(zhǔn)較高的疊置串聯(lián)測力儀，在采用機(jī)械方式或者液壓方式對測量結(jié)構(gòu)施加負(fù)荷，最后通過比較測量即可得到力值檢測結(jié)果。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)最為常見的最大力值基準(zhǔn)為500 kN、1 MN，該力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度可達(dá)3×10-4。正常情況下若力值測量場景為重力監(jiān)測領(lǐng)域精確度要求較低、測量環(huán)境比較復(fù)雜的力值測量領(lǐng)域、壓力測量領(lǐng)域，則可以分別應(yīng)用靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，只有疊加力測量難以適用以上任何一種力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置時(shí)才會選擇應(yīng)用疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行力值測定。疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力值測量精確度只與測力儀施加負(fù)荷方式、串聯(lián)方式、安裝質(zhì)量、自身性能有關(guān)，實(shí)際測量疊加力時(shí)可以針對以上精確度影響因素減少測量誤差。

3.5 力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)

力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置在階躍力法下主要在外力作用下使脆性材料達(dá)到強(qiáng)度極限并斷裂，然后傳感器可以在極短時(shí)間內(nèi)受到斜坡負(fù)階躍力激勵，最后根據(jù)截面積和傳感器系統(tǒng)即可得到較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果；力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置在正弦力法下可以直接傳感器數(shù)值，質(zhì)量塊重量根據(jù) F=ma公式，即可得到力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)結(jié)果。但是整體來說力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)誤差遠(yuǎn)超以上四類力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，因此力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)并未像以上四類力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置一樣得到廣泛推廣。

4 力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展趨勢

隨著我國力學(xué)計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善，大扭矩力值、多分量力值、高頻液體質(zhì)點(diǎn)振動力值、復(fù)雜環(huán)境力值、多目標(biāo)速度振源力值等問題部分得到解決，但是主要解決思路是對現(xiàn)有力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其力值測量精確度得到提高、適用力值測量領(lǐng)域得到拓展。未來力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置將向自動化、動態(tài)力、極值力的方向發(fā)展，最終力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置將能夠在自動化技術(shù)、動態(tài)力測量技術(shù)、極限測量技術(shù)下提高力值測量精確度、降低測量操作難度。

（1）自動化。力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置自動化可以解決人為帶來的誤差問題，力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置很難完全擺脫人為參與，只要人為參與到力值測量中就會導(dǎo)致誤差問題出現(xiàn)，只是很多時(shí)候人為導(dǎo)致的誤差與力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置本身存在的誤差相比可以忽略不計(jì)。未來，力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置將通過自動化操控提高力值測量精確度，同時(shí)拓寬各類力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的應(yīng)用范圍。

（2）動態(tài)力。力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠用于測量動態(tài)力的比較少，而且不能保證力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置在動態(tài)力測量中的精確度。未來，力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置研究人員可以在力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)方面加大研發(fā)投入，通過傳感器和相關(guān)配套系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置自動化，又可以讓力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用在動態(tài)力測量中。

（3）極值力。力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置極值力研究主要指1 N以下以及10 MN以上的力值測量，極值力測量能夠應(yīng)用在很多高精尖領(lǐng)域中，例如航空航天領(lǐng)域中可以運(yùn)用力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置對1 N以下的力值進(jìn)行測量，一次判斷飛行器或飛行載具是否存在安全隱患。目前力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置力值測量范圍主要在1 MN、5 MN等量級，1 N以下以及10 MN的力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置較少，而且不能保障力值測量精確度。未來，研究人員必須在極值力研究方面加大投入，完善我國力學(xué)計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)體系，減少力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)用領(lǐng)域缺陷，減少力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的短板。

5 結(jié)論

綜上所述，目前靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在精確度要求較高的靜態(tài)力測量和重力監(jiān)測領(lǐng)域；杠桿式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在精確度要求不高且測量環(huán)境比較復(fù)雜的常見力值測量領(lǐng)域；液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在精確度要求較高的特定環(huán)境壓力測量領(lǐng)域；疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要應(yīng)用在受力分析復(fù)雜、動態(tài)化、測量環(huán)境復(fù)雜下的綜合力值測量領(lǐng)域；力傳感器動態(tài)特性校準(zhǔn)主要應(yīng)用在動態(tài)力、多頻率、精確度要求低的壓力測量領(lǐng)域，但是后來該力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置具有在高精度力值測量領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。未來力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置將繼續(xù)向自動化、動態(tài)力、極值力的方向發(fā)展，提高力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置的應(yīng)用范圍，完善我國力學(xué)計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)體系，讓我國力學(xué)計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置在測量與校準(zhǔn)方面的能力得到國際認(rèn)同，這樣才有望提高我國制造業(yè)工業(yè)產(chǎn)品附加值，讓我國真正成為制造業(yè)強(qiáng)國。